(57)【要約】  生体内に埋め込むために小型化を図りつつ、長時間運転を可能とするインプラント用の燃料電池を提供する。グルコース等の燃料および電解質溶液を収容する容器２１１と、容器２１１内に配置され、貴金属触媒が固定された一対の電極と、容器２１１の外表面の少なくとも一部に形成され、通気性および防水性を有する通気部２７と、容器２１１に外部から燃料を注入または排出するためのセプタム２１８，２１９とを備える燃料電池２０１を採用する。
2011046006.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質溶液を収容する容器と、
該容器内に配置された一対の電極と、
前記容器の外表面の少なくとも一部に形成され、通気性および防水性を有する通気部と、
前記容器に外部から燃料を注入または排出するための注入排出口とを備える燃料電池。
【請求項２】
外部から供給された燃料を貯蔵する貯蔵部と、
前記容器と前記貯蔵部とを接続する流路とを備える請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
前記注入排出口が、前記容器と前記貯蔵部の少なくとも一方の外表面に設けられた請求項２に記載の燃料電池。
【請求項４】
前記貯蔵部の内部に、前記注入排出口が設けられた一面側と、該一面に対向する他面側とを区画し、端縁に開口する隔壁を設け、
前記流路が、各区画のそれぞれに接続された請求項２または請求項３に記載の燃料電池。
【請求項５】
前記貯蔵部の外表面に、前記貯蔵部の外部と内部との熱交換を行う熱交換器を備える請求項４に記載の燃料電池。
【請求項６】
前記通気部が、フッ化炭素樹脂で形成された請求項１から請求項５のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項７】
前記容器の壁体が、フッ化炭素樹脂で形成され、
前記通気部が、前記容器の壁体が局所的に薄く形成された部分である請求項６に記載の燃料電池。
【請求項８】
電解質流体を収容する容器と、
該容器内に複数のセルを区画形成する隔壁と、
各前記セル内にそれぞれ配置された正極および負極と、
前記容器に設けられ、該容器内に外部から前記電解質流体を注入するための注入口と、
前記隔壁に設けられ、各前記セルを連通する連通孔と、
該連通孔に設けられ、各前記セル間の流路を開閉する流路開閉部とを備える電池。
【請求項９】
前記流路開閉部が、前記容器への前記電解質流体の注入時には各前記セル間の流路を開き、前記容器への前記電解質流体の注入後には各前記セル間の流路を閉じる請求項８に記載の電池。
【請求項１０】
前記流路開閉部が、前記注入口と前記連通孔とを通る一直線上に配置され、スリットを有する弾性体である請求項８に記載の電池。
【請求項１１】
前記流路開閉部が、各前記セル間の流路を開閉する弁である請求項８に記載の電池。
【請求項１２】
複数の前記弁と、
複数の前記弁を連結する連結機構とを備える請求項１１に記載の電池。
【請求項１３】
前記流路開閉部が、前記電解質流体が注入されるセルから、他のセルに前記電解質流体を一方方向に流通させる逆止弁である請求項８に記載の電池。
【請求項１４】
前記隔壁により、各前記セルに隣接する共通流路が形成され、
該共通流路に前記注入口が設けられ、
前記共通流路と各前記セルとを区画する前記隔壁に前記連通孔および前記流路開閉部が設けられている請求項８に記載の電池。
【請求項１５】
各前記セルが、前記共通流路の外側に隣接して配置されている請求項１４に記載の電池。
【請求項１６】
前記連通孔を前記流路開閉部によって開放した条件において、
単一の前記注入口と複数の前記セルとを連通する流路が形成されている請求項８に記載の電池。
【請求項１７】
各前記セルの前記正極および前記負極の電気的接続を切り替える電気的接続切り換え部を備える請求項８に記載の電池。
【請求項１８】
燃料を酸化する多孔質の負極と、
酸素を還元する正極と、
前記負極と前記正極との間に介在するイオン伝導膜とを備え、
前記負極が、前記イオン伝導膜との間に隙間を形成して配置されている燃料電池用電極。
【請求項１９】
燃料を酸化する多孔質の負極と、
酸素を還元する正極と、
前記負極と前記正極との間に介在するイオン伝導膜とを備え、
前記負極が、その表面に凹凸を有する燃料電池用電極。
【請求項２０】
前記負極は、表面がフィン状に形成されている請求項１９に記載の燃料電池用電極。
【請求項２１】
前記負極は、表面に溝が形成されている請求項１９に記載の燃料電池用電極。
【請求項２２】
前記負極が、前記イオン伝導膜との間に隙間を形成して配置されている請求項１９に記載の燃料電池用電極。
【請求項２３】
請求項１８から請求項２２のいずれかに記載の燃料電池用電極を備える燃料電池。
【請求項２４】
前記イオン伝導膜が、カチオン透過膜である請求項２３に記載の燃料電池。
【請求項２５】
前記イオン伝導膜が、アニオン透過膜である請求項２３に記載の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池、電池、および燃料電池用電極に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、糖やアルコールを燃料とし、生体内での長時間運転を想定したバイオ燃料電池が知られている（例えば、特許文献１参照）。また、心臓ペースメーカでの利用を想定した小型燃料電池が知られている（例えば、特許文献２参照）。【０００３】
特許文献１に開示されている燃料電池は、発電に際し、糖やアルコールを燃料として、これらを酸化するタンパク質である酵素を電極に利用している。また、長期間にわたって発電を行うために、生分解性高分子で互いに隔離された複数の燃料電池ユニットを搭載している。これら燃料電池ユニットを隔離する隔壁は、分解時間が互いに異なる生分解高分子で構成されており、発電開始から順次隔壁が崩壊することとなる。これにより、複数の燃料電池ユニットにおいて順次発電が開始され、長期間の運転が行えるようになっている。【０００４】
特許文献２に開示されている燃料電池では、生体内に埋め込む心臓ペースメーカに用いられる燃料電池として、電極には生体への適合性が高い酵素を利用し、燃料として生体内の体液や血液を利用するようになっている。【０００５】
また、複数のセルを有する電池において、これらセルを直列接続するためには、各セル内に配置された電極が、各々個別の電解質に浸される必要がある。各セル内の電極が、共通の電解質に浸った条件においては、複数のセル間で電荷の移動が発生し、直列接続の場合には直列の電圧が得られないためである。【０００６】
燃料電池においても、上記の問題を回避するために、直列接続の各セルを各々独立した電解質で構成するために、セル毎に独立した筐体で囲う構成が採用されている。液体を燃料とする燃料電池においては、独立した筐体に燃料液を供給するためには、各々独立したセルに対して、個別に燃料液を注入することが必要になる。このような手間を省くために、従来、筐体内に燃料液を注入し、その後エアバルブによって筐体内を複数のセルに区画する方法が開示されている（例えば、非特許文献１参照）。【０００７】
また、従来、燃料電池において、一対の電極がプロトン伝導体を挟んで配置され、これらが互いに密着して一体形成された膜−電極接合体（ｍｅｍｂａｒｎｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ；ＭＥＡ）が用いられている（例えば、特許文献３参照。）。電極には、空気または燃料との接触面積を増大させるために多孔質構造を有するものが用いられている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００８−２７０２０６号公報
【特許文献２】再公表ＷＯ２００４／０１２８１１号公報
【特許文献３】特開２００８−２８２５８６号公報
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】西澤  松彦（東北大学）、「バイオ機能を搭載した情報エネルギーデバイス」、東北大学グローバルＣＯＥ冊子、２００９年７月
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
特許文献１に開示されている燃料電池では、燃料電池自体の長時間運転が達成されていないため、複数の燃料電池ユニットを連結・搭載することで回避している。このため、運転期間に応じて多くの燃料電池ユニットを搭載する必要があり、製品化に際して小型化が困難である。特に生体内に埋め込んで利用するためには、小型化は必須の要件であるため、当該燃料電池をインプラント用として使用することは困難である。また、長時間の運転のために、搭載する燃料電池ユニットが多くなるほど、故障要因の増加や、各燃料電池ユニット間での性能のバラツキといった新たな問題も発生する。【００１１】
また、特許文献１に開示されている燃料電池が長時間運転を達成できない理由は、糖やアルコールから発電を行うに際し、酵素を電極として利用している点にある。酵素は有機物であり、同じ有機物でもともと生体内に存在することから、生体への適合性は高い反面、生体内での分解性も高く、長時間の安定性を得ることが困難である。【００１２】
また、この酵素は、生体内の溶存酸素などに起因して活性が著しく低下する。生体内で利用される酵素は、生体の新陳代謝と同様に、常に新しい酵素を供給できるが、電極に固定された酵素は、溶存酸素や他の有機物によってその活性が低下してしまえば、その時点で発電を行うことが困難となってしまう。【００１３】
一方、特許文献２に開示されている燃料電池では、燃料には生体内が有する体液や血液を利用しているが、現実的には体液や血液中には、燃料となる糖以外のタンパク質や有機物、脂質や電解質など多くが混在しており、これらが電極へ吸着して電極の活性の低下を招くことになる。【００１４】
また、血液利用の場合は電極への吸着物、あるいは電極自体がトリガーとなって血栓を引き起こす恐れもあり、安易に利用することはできない。この点、特許文献２には、タンパク質などの不要な有機物が電極へ吸着して、活性低下を招く対策に関しては触れられておらず、実際には特許文献１と同様に、長時間運転を行うことが困難である。【００１５】
また、非特許文献１に開示されている技術によれば、各セルを区画するエアバルブの水密性が低いため、セル間で電荷の移動が発生し、直列接続の場合には直列の電圧が得られない場合があるという不都合がある。【００１６】
また、特許文献３に開示されている技術によれば、電極のうち燃料を酸化する負極において、その表面から位置が深くなるほど燃料が拡散し難くなるため、既に酸化された燃料が停滞して新しい燃料が円滑に供給されないという問題がある。特に、燃料として糖溶液を用いる場合には、水素ガスやアルコールなどと比べて粘性が高く拡散がさらに困難であるためにこの問題が顕著に現れる。すなわち、時間の経過に伴って糖の酸化反応が起こりにくくなることにより発電効率が低下し、出力電流が低下してしまうという問題がある。【００１７】
本発明の第１の目的は、生体内に埋め込むために小型化を図りつつ、長時間運転を可能とするインプラント用の燃料電池を提供することである。【００１８】
本発明の第２の目的は、容易に複数のセル内に燃料液を注入できるとともに、セル間における電荷の移動を防止することができる電池を提供することである。【００１９】
本発明の第３の目的は、燃料として糖溶液を用いた場合においても、発電効率を維持して安定した出力電流を得ることができる燃料電池用電極および燃料電池を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
上記目的を達成するために、本発明は以下の手段を採用する。
本発明の第１の態様は、電解質溶液を収容する容器と、該容器内に配置された一対の電極と、前記容器の外表面の少なくとも一部に形成され、通気性および防水性を有する通気部と、前記容器に外部から燃料を注入または排出するための注入排出口とを備える燃料電池である。【００２１】
本発明の第１の態様によれば、グルコース等の燃料が、電解質溶液が収容された容器内に、シリンジ等によって注入排出口を介して注入され、この燃料を用いて容器内で発電が行われる。具体的には、容器内に注入されたグルコース等の燃料は、一方の電極において、表面に固定された金、銀、白金等の貴金属を触媒として、電子を放出するともに、水素イオンを生成する（酸化）。一方の電極において放出された電子は、一対の電極を電気的に接続する配線を通って、他方の電極に送られ、水素イオンは、容器内の電解質溶液中を他方の電極近傍に移動する。これにより、他方の電極において、電解質溶液中を移動してきた水素イオンと、一方の電極から送られてきた電子と、通気部を介して容器内に供給された酸素とが反応して、水が生成される（還元）。上記のように、一方の電極において酸化が行われるともに、他方の電極において還元が行われることで、発電が行われ、これら電極に電気的に接続されたペースメーカ等の機器に電力を供給することができる。【００２２】
この場合において、電極に単一もしくは複数の貴金属を固定することで、この貴金属を触媒として機能させることができ、電解質溶液を体液と同等な中性あるいは弱酸性とすることができ、仮に生体内に埋め込まれた容器から電解質溶液が漏洩した場合にも、生体へのダメージを小さくすることができる。特に２種類以上の貴金属を利用すれば、異種貴金属間で生じる電界作用によって、糖を酸化させ発電を容易に行うことができる。【００２３】
ここで、生体内の糖を燃料として発電を行う場合には、貴金属を固定させた電極でも、生体内のタンパク質や脂質などの有機物が吸着し、すぐに活性を失うことになる。これに対して、本発明によれば、純度の高い燃料を外部から容器内に供給できるため、電極への有機物の吸着を防止して、触媒の活性の低下を抑制することができ、長時間運転を行うことができる。【００２４】
また、発電が行われることで燃料が消費されるが、外部から高純度の燃料を補給することで、発電を継続することができる。すなわち、注入排出口を介して外部から燃料を供給可能とすることで、容器の大きさを小さくすることができ、燃料電池全体の小型化を図ることができる。【００２５】
上記の第１の態様において、外部から供給された燃料を貯蔵する貯蔵部と、前記容器と前記貯蔵部とを接続する流路とを備えていてもよい。
燃料を貯蔵する貯蔵部を設けることで、容器内に燃料を適宜供給することができ、発電を長時間行うことができる。また、注入排出口から燃料を注入する頻度を低くすることができ、体内に埋め込んだ場合に、燃料の注入または排出の際の患者の負担を軽減することができる。なお、容器と貯蔵部は、一体型としてもよいし、分離型としてもよい。【００２６】
上記の第１の態様において、前記注入排出口が、前記容器と前記貯蔵部の少なくとも一方の外表面に設けられていてもよい。
体内に埋め込まれた容器または貯蔵部に、外部から燃料を注入または排出するためには、患者の体にシリンジ針を繰り返し刺す必要がある。したがって、容器と貯蔵部の少なくとも一方に燃料の注入排出口を設けることで、燃料の注入または排出の際の患者の負担を軽減することができる。また、この注入排出口を皮下に埋め込むことで、体外への露出をなくして、衛生状態を向上することができる。【００２７】
上記の第１の態様において、前記貯蔵部の内部に、前記注入排出口が設けられた一面側と、該一面に対向する他面側とを区画し、端縁に開口する隔壁を設け、前記流路が、各区画のそれぞれに接続されていてもよい。
隔壁によって貯蔵部の内部を注入排出口が設けられた一面側と該一面に対向する他面側とに区画することで、体内に埋め込んだ場合に、注入排出口が設けられた一面側（体表面側）の燃料の温度よりも、他面側（体内側）の燃料の温度を高くすることができる。このように体内側の燃料と体表面側の燃料に温度差をつけることで、貯蔵部内における燃料の対流を促進させ、この対流を利用して、貯蔵部から流路を介して容器へ燃料を供給することができる。【００２８】
上記の第１の態様において、前記貯蔵部の外表面に、前記貯蔵部の外部と内部との熱交換を行う熱交換器を備えることとしてもよい。
貯蔵部の外表面に貯蔵部の外部と内部との熱交換を行う熱交換器を備えることで、体内側の燃料と体表面側の燃料に効率的に温度差をつけることができ、貯蔵部内における燃料の対流を促進して、貯蔵部から容器への燃料供給を効率的に行うことができる。【００２９】
上記の第１の態様において、前記通気部が、フッ化炭素樹脂で形成されていてもよい。
通気部を、例えば４フッ化エチレン等のフッ化炭素樹脂で形成することで、容器内からの電解質溶液の漏洩を防止しつつ、容器内の電極へ酸素を良好に供給して、電極における還元反応を効率的に行うことができる。【００３０】
上記の第１の態様において、前記容器の壁体が、フッ化炭素樹脂で形成され、前記通気部が、前記容器の壁体が局所的に薄く形成された部分であることとしてもよい。
このようにすることで、容器内からの電解質溶液の漏洩を防止しつつ、容器内の電極へ酸素の供給量を増加させることができ、電極における還元反応、すなわち発電の効率を向上することができる。また、容器と通気部との界面を無くすことができ、容器を生体に埋め込んだ際の安全性を向上することができる。【００３１】
本発明の第２の態様は、電解質流体を収容する容器と、該容器内に複数のセルを区画形成する隔壁と、各前記セル内にそれぞれ配置された正極および負極と、前記容器に設けられ、該容器内に外部から前記電解質流体を注入するための注入口と、前記隔壁に設けられ、各前記セルを連通する連通孔と、該連通孔に設けられ、各前記セル間の流路を開閉する流路開閉部とを備え、前記流路開閉部が、前記容器への前記電解質流体の注入時には各前記セル間の流路を開き、前記容器への前記電解質流体の注入後には各前記セル間の流路を閉じる電池である。【００３２】
本発明の第２の態様によれば、電解質流体が注入口を介して容器内に注入されることで、容器内で発電が行われる。具体的には、負極において、水素や金属等の物質が電子を放出するとともに、陽イオンとして容器内の電解質流体に溶出する（酸化）。負極において放出された電子は、負極と正極とを電気的に接続する配線を通って正極に送られ、陽イオンは、容器内の電解質流体中を正極近傍に移動する。これにより、正極において、電解質流体中を移動してきた陽イオンと負極から送られてきた電子とが反応して、水素や金属等の物質が生成される（還元）。上記のように、負極において酸化が行われるともに、正極において還元が行われることで、発電が行われ、これら電極に電気的に接続された電子機器等に電力が供給される。【００３３】
ここで、電解質流体を収容する容器は、隔壁により複数のセルに区画形成されている。この隔壁には各セルを連通する連通孔が設けられており、この連通孔には各セル間の流路を開閉する流路開閉部が設けられている。
電解質流体を容器内に注入する際、電解質流体が注入口を介して容器内に注入されると、流路開閉部により各セル間の流路が開かれ、各セルが連通される。そして、容器内への電解質流体の注入後には、流路開閉部により各セル間の流路が閉じられる。
これにより、１回の注入作業で複数のセル内に電解質流体を容易に注入できるとともに、電解質流体の注入後にはセル間における電荷の移動を防止して、所望の電圧を得ることができる。【００３４】
上記の第２の態様において、前記流路開閉部が、前記注入口と前記連通孔とを通る一直線上に配置され、スリットを有する弾性体であることとしてもよい。
このようにすることで、シリンジ針等の電解質流体を流通させる管路を注入口および連通孔に貫通させることにより、該管路から電解質流体を容器内に注入するとともに、該管路によりスリットを拡げて各セル間の流路を開き、各セルに電解質流体を供給することができる。そして、この管路を注入口および連通孔から抜くことで、弾性体の有する弾性力によりスリットが塞がれ、各セル間の流路を閉じて、セル間における電荷の移動を防止することができる。【００３５】
上記の第２の態様において、前記流路開閉部が、各前記セル間の流路を開閉する弁であることとしてもよい。
このようにすることで、電解質流体を容器内に注入する際、弁を開いて各セル間を連通させるとともに、容器内への電解質流体の注入後には弁を閉じて各セル間の連通を禁止することができる。これにより、１回の注入作業で複数のセル内に電解質流体を容易に注入できるとともに、電解質流体の注入後にはセル間における電荷の移動を防止することができる。【００３６】
上記の第２の態様において、複数の前記弁と、複数の前記弁を連結する連結機構とを備えることとしてもよい。
このようにすることで、連結機構により複数の弁の開閉動作を同時に行うことができ、電解質流体の容器内への注入時および注入後における弁の開閉動作を確実かつ容易に行うことができる。【００３７】
上記の第２の態様において、前記流路開閉部が、前記電解質流体が注入されるセルから、他のセルに前記電解質流体を一方方向に流通させる逆止弁であることとしてもよい。
このようにすることで、弁等の開閉動作を行うことなく、電解質流体が注入されるセル（注入セル）から他のセルに電解質流体を流通させるとともに、他のセルから注入セルへの電解質流体の流通を禁止することができる。これにより、１回の注入作業で複数のセル内に電解質流体を容易に注入できるとともに、セル間における電荷の移動を防止することができる。【００３８】
上記の第２の態様において、前記隔壁により、各前記セルに隣接する共通流路が形成され、該共通流路に前記注入口が設けられ、前記共通流路と各前記セルとを区画する前記隔壁に前記連通孔および前記流路開閉部が設けられていることとしてもよい。
このようにすることで、注入口を介して共通流路に電解質流体を供給する際には、流路開閉部により共通流路と各セル間との流路が開かれる。そして、共通流路への電解質流体の注入後には、流路開閉部により共通流路と各セル間との流路が閉じられる。これにより、１回の注入作業で共通流路を介して複数のセル内に電解質流体を容易に注入できるとともに、共通流路と各セルとの間およびセル間における電荷の移動を防止することができる。【００３９】
上記の第２の態様において、各前記セルが、前記共通流路の外側に隣接して配置されていることとしてもよい。
このようにすることで、１つの共通流路に多くのセルを隣接させることができ、電池の小型化を図ることができる。【００４０】
上記の第２の態様において、前記連通孔を前記流路開閉部によって開放した条件において、単一の前記注入口と複数の前記セルとを連通する流路が形成されていることとしてもよい。
上記の第２の態様において、各前記セルの前記正極および前記負極の電気的接続を切り替える電気的接続切り換え部を備えることとしてもよい。
このようにすることで、電気的接続切り換え部により各セルの並列接続または直列接続の組合せを臨機応変に選択して使用することが可能である。
上記の第２の態様は燃料電池のセルを連結する手段であり、第１の態様の燃料電池に利用することは可能である。【００４１】
本発明の第３の態様は、燃料を酸化する多孔質の負極と、酸素を還元する正極と、前記負極と前記正極との間に介在するイオン伝導膜とを備え、前記負極が、前記イオン伝導膜との間に隙間を形成して配置されている燃料電池用電極である。
イオン伝導膜としては、カチオン透過膜を利用する場合と、アニオン透過膜を利用する場合が想定される。前者は膜内をカチオンであるプロトンを移動させて発電する場合であり、後者は膜内をアニオンであるヒドロキシイオンを移動させて発電する場合に利用する。【００４２】
本発明の第３の態様によれば、イオン伝導膜としてカチオン透過膜を利用した際には、負極において燃料が酸化され該燃料から電子とプロトンとが放出される一方で、放出された電子とプロトンとにより正極において酸素が還元され、このときの負極から正極へ移動する電子を外部回路に経由させることにより電流を取り出すことができる。燃料として糖溶液を用いると、負極とイオン伝導膜との間に形成された隙間にも糖溶液が満たされているため、負極において放出させられたプロトンに対して、満たされた糖液中からイオン伝導膜にプロトンが伝達され、さらに正極へ伝達される。【００４３】
この場合に、従来イオン伝導膜と密着させられていた負極のイオン伝導膜側の面も燃料に開放され、負極の燃料に露出される露出表面積が増大する。これにより、負極の内部と外部との間での燃料の拡散移動を促し、比較的粘性の高い糖溶液を燃料として用いても発電効率を維持して安定した出力電流を得ることができる。【００４４】
また、イオン伝導膜としてアニオン透過膜を利用した際には、負極において燃料が酸化され燃料から電子とプロトンとが放出される一方で、放出された電子と酸素が正極において、その周囲の水とともに還元され、ヒドロキシイオンが生成される。このときの負極から正極へ移動する電子を外部回路に経由させることにより電流を取り出すことができる。燃料として糖溶液を用いると、負極とアニオン透過膜との間に形成された隙間にも糖溶液が満たされているため、負極において放出させられたプロトンに対して、満たされた糖液中へ正極からアニオン透過膜を介して伝達してきたヒドロキシイオンとが水を形成する。【００４５】
つまり、カチオン透過膜を利用するか、アニオン透過膜を利用するかの違いは、電極間をプロトンを伝達させて発電を行うか、ヒドロキシイオンを伝達させて発電を行うかの違いであり、いずれもイオン伝導膜を使った構成である。
第３の態様は燃料電池の内部に設置される電極に関する発明であり、これは第１の態様の燃料電池に利用できることは明らかである。【００４６】
また、本発明の第４の態様は、燃料を酸化する多孔質の負極と、酸素を還元する正極と、前記負極と前記正極との間に介在するイオン伝導膜とを備え、前記負極が、その表面に凹凸を有する燃料電池用電極である。
本発明の第４の態様によれば、負極の表面に形成された凹凸によって負極の燃料への露出表面積を増大させることにより、負極の内部と外部との間での燃料の拡散移動を促し、燃料として糖溶液を用いても発電効率を維持して安定した出力電流を得ることができる。【００４７】
上記の第４の態様においては、前記負極は、表面がフィン状に形成されていてもよく、表面に溝が形成されていてもよい。
このようにすることで、負極の燃料への露出表面積を効果的に増大させることができる。
また、上記の第４の態様においては、前記負極が、前記イオン伝導膜との間に隙間を形成して配置されていてもよい。
また、本発明の第５の態様は、上記の第３の態様および第４の態様のいずれかに記載の燃料電池用電極を備える燃料電池である。
【発明の効果】
【００４８】
本発明の第１の態様によれば、生体内に埋め込むために小型化を図りつつ、長時間運転ができるという効果を奏する。【００４９】
本発明の第２の態様によれば、容易に複数のセル内に燃料液を注入できるとともに、セル間における電荷の移動を防止することができるという効果を奏する。【００５０】
本発明の第３ないし第５の態様によれば、燃料として糖溶液を用いた場合においても、発電効率を維持して安定した出力電流を得ることができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る燃料電池の全体構成図である。
【図２】図１の破線で示す断面における燃料バッグの断面図である。
【図３】電極の構造を示す組立図である。
【図４】図３の電極の縦断面図である。
【図５】図４の電極の部分拡大図である。
【図６】各電極における酸化還元反応を示すモデル図である。
【図７】本発明の第２の実施形態に係る燃料電池の全体構成図である。
【図８】図７の燃料バッグの斜視図である。
【図９】図７の燃料電池の変形例を示す全体構成図である。
【図１０】図９の燃料電池の正面図である。
【図１１】図９の燃料電池の上視図である。
【図１２】本発明の第３の実施形態に係る電池の概略構成を示す縦断面図である。
【図１３】図１２の電池の平面図である。
【図１４】図１２の電池にシリンジを挿入した際の縦断面図である。
【図１５】図１４の電池の平面図である。
【図１６】図１４のシリンジ針とスリット弁の状態を説明する模式図である。
【図１７】図１２の電池に電解質溶液が注入された状態を示す縦断面図である。
【図１８】本発明の第４の実施形態に係る電池の概略構成を示す縦断面図である。
【図１９】図１８の電池の平面図である。
【図２０】図１８の電池にシリンジを挿入した際の状態を説明する模式図である。
【図２１】図１８の変形例の概略構成を示す縦断面図である。
【図２２】本発明の第５の実施形態に係る電池の概略構成を示す縦断面図である。
【図２３】図２２の変形例の概略構成を示す縦断面図である。
【図２４】本発明の第６の実施形態に係る電池の概略構成を示す斜視図である。
【図２５】図２４の電池の横断面図である。
【図２６】図２４の電池の縦断面図であり、手動弁を閉じた状態を説明する図である。
【図２７】図２４の電池の縦断面図であり、手動弁を開いた状態を説明する図である。
【図２８】本発明の第７の実施形態に係る電池の概略構成を示す斜視図である。
【図２９】図２８の電池の横断面図である。
【図３０】図２８の電池の縦断面図である。
【図３１】図２８の電池にシリンジを挿入した際の状態を説明する縦断面図である。
【図３２】図２８の変形例の概略構成を示す縦断面図である。
【図３３】図３２の電池にシリンジを挿入した際の状態を説明する縦断面図である。
【図３４】本発明の第８の実施形態に係る電池の概略構成を示す斜視図である。
【図３５】図３４の電池の縦断面図である。
【図３６】図３４の電池にシリンジを挿入した際の状態を説明する縦断面図である。
【図３７】図３４の電池の手動弁を開いた際の状態を説明する縦断面図である。
【図３８】図３４の電池の電解質溶液を排出する際の状態を説明する縦断面図である。
【図３９】図３４の電池の電解質溶液を排出する際の状態を説明する斜視図である。
【図４０】本発明の第９の実施形態に係る電池の概略構成を示す縦断面図である。
【図４１】図４０の電池にシリンジを挿入した際の状態を説明する縦断面図である。
【図４２】本発明の第１０の実施形態に係る電池の概略構成を示す模式図である。
【図４３】本発明の第１１の実施形態に係る電池の概略構成を示す模式図である。
【図４４】図４３の電池において給電するセルを切り替えた状態を説明する模式図である。
【図４５】本発明の第１２の実施形態に係る燃料電池用電極の全体構成図である。
【図４６】図４５の燃料電池用電極を用いた燃料電池の全体構成図である。
【図４７】図４５の燃料電池用電極の変形例を示す図である。
【図４８】図４６の燃料電池の変形例を示す図である。
【図４９】本発明の第１３の実施形態に係る燃料電池用電極の全体構成図である。
【図５０】図４９の燃料電池用電極を用いた燃料電池の全体構成図である。
【図５１】図４９の燃料電池用電極の変形例を示す図である。
【図５２】図４９の燃料電池用電極のもう１つの変形例を示す図である。
【図５３】図４９の燃料電池用電極のもう１つの変形例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００５２】
［第１の実施形態］
以下、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池について図面を参照して説明する。
まず、本願発明者が、本発明の燃料電池の構成について鋭意検討した経緯を以下に説明する。
【００５３】
金属を利用した糖の酸化およびこれを利用した燃料電池に関しては、特許文献や論文などで多くの報告がなされており、例えば、特許文献としては特許第３５１８４６１号公報が、非特許文献としては以下の（１）から（４）に示す文献が知られている。
（１）J.Electroanal. Gem.,「Concentration dependence of the mechanism of glucose oxidation at
gold electrodes in alkaline media」, 262, 1989,
pp167-182
（２）「ピリジルホスホン酸修飾金電極の作製とそのグルコース酸化能」、日本化学会西日本大会講演予稿集、２００４年、７４頁、
（３）「金ナノ粒子を用いたグルコース酸化触媒機能電極の作製および燃料電池の開発」，「グルコース酸化能を有する電極の作製とそのグルコース燃料電池への応用」、電気化学会大会講演要旨集、２００５年、２１２頁
（４）「バイオ電気化学の実際  グルコース−空気燃料電池」、シーエムシー出版、２００７年３月
これら文献に記載されている燃料電池は、前述したように、いずれも燃料となるグルコースの酸化を、金、銀、白金の貴金属を触媒として行うものである。
【００５４】
貴金属である金を利用した糖、特にグルコースに関して、その電子移動メカニズム、すなわちグルコースから電子を取り出すメカニズムについては、非特許文献（１）に詳細が記載されており、金に吸着した水酸基を起点にグルコースの酸化が展開されることが記載されている。同様に、特許第３５１８４６１号公報にも、水酸基を介した鎖体を経由して糖酸化によって放出された電子が移動するメカニズムが記載されている。
【００５５】
これらのメカニズムは、糖のエピマー化、すなわち、不斉炭素の絶対配置がプロトンを失い、同じ側の再プロトン化が起こることで、糖の変換反応が、酸性溶液中よりもアルカリ性溶液中で速やかに進行することを利用している。このため、アルカリ性溶液中に多く存在する水酸基が糖酸化の引き金となると同時に、金に吸着しやすい水酸基が電子移動のアンテナとなって金への電子移動を助けることになる。これにより、水酸基と貴金属、特に金があることでグルコース酸化が促進され、発電が行われる。
【００５６】
また、貴金属での糖酸化には水酸基が重要であることから、アルカリ性の環境が最適となる。しかし、アルカリ性の環境は、発電能力の向上には有効であるが、必須ではない。例えば前述の非特許文献（２）、（３）では、金と白金を利用することで、中性のグルコース水溶液においても高い発電能力を得ている。白金や銀などに関しては、前述の非特許文献（２）、（３）に記載されるように、糖酸化に対してそれ自体の触媒能は金より劣るが、金と一緒に利用することで助触媒としての高い役割を発揮するものであり、これらの組合せや構造によっては必ずしもアルカリ性を必要とするものではない。
【００５７】
つまり、糖であるグルコースから酸化による電子を電極に取り出すためには、水酸基の存在の他、電子移動が生じやすいようにエネルギー閾値を下げる工夫を施せばよい。前述した金と白金の利用は、相互の貴金属の組合せで表面の電界が高まり、グルコースから電子を移動させることに成功したものと推測できる。
以上から、貴金属を組み合わせた電極構造を工夫することで、必ずしも水酸基、すなわちアルカリ性を呈した環境が必須ではないことがわかる。
【００５８】
また、貴金属は、その標準酸化還元電位がポジティブであることが知られている。すなわち、貴金属類は自然界において、それを酸化させるためには水素の酸化還元電位に対して、非常にポジティブな電位が必要であり、容易に酸化させることができないことが知られている。例えば金に関しては、金を３価に酸化させるためには、水素の基準電位に対して＋１．５２Ｖもポジティブな電位が必要となる。また、金を１価に酸化させるためには、更にポジティブ電位が必要となり、その電位は＋１．８３Ｖとなる。これは、水溶液を燃料とする燃料電池において、その分解電圧が１．５Ｖである水溶液中では、金が酸化して、その活性が低下することは起こり難いことを示す。
【００５９】
そこで、本実施形態に係る燃料電池２０１では、このような特性を有する貴金属を糖の酸化電極に利用する。これにより、非常に安定で長い間の活性を維持し、長期間の発電を行うことができる。また、燃料である糖を酸化させる酸化電極に、特許文献１に記載されているような酵素ではなく、貴金属の微粒子、特にナノメートルサイズの微粒子（以降、「ナノ粒子」と表記する。）を利用した電極を用いることとする。
【００６０】
次に、本実施形態に係る燃料電池２０１の構成について以下に説明する。
図１に示すように、本実施形態に係る燃料電池２０１は、生体内に埋め込まれる燃料電池２０１であって、電解質溶液を収容する容器２１１と、グルコース等の糖燃料が貯蔵された燃料バッグ（貯蔵部）２１２とを備えている。容器２１１と燃料バッグ２１２とは注入口２１３および排出口２１４を介して相互に接続されている。
【００６１】
容器２１１は、例えばチタン等の生体適合性を有する材料で構成された密閉容器であり、その内部に電解質溶液を収容するようになっている。また、容器２１１の内部には、表面に貴金属が固定された一対の電極が設けられている。この一対の電極の端部には、ペースメーカ等の機器に電力を出力する出力端子２１５，２１６が形成されている。また、容器２１１の外表面の一部には、通気性および防水性を有する通気部２１７が形成されている。通気部２１７は、例えばポリテトラフルオロエチレン（４フッ化エチレン）等のフッ化炭素樹脂で構成されている。
【００６２】
一対の電極は、貴金属触媒を担持した２種類の電極であるアノードとカソードより構成されており、アノードは糖の酸化が行われる燃料電池２０１の負極となり、カソードは酸素の還元が行われる燃料電池２０１の正極となる。
【００６３】
貴金属触媒を担持したアノードとカソードは、容器２１１の内部に設置されており、糖燃料を含む電解質溶液内に浸漬されている。アノードとカソードは、それぞれの出力端子に接続されている。これら出力端子は、ペースメーカ等の体内に埋め込まれる医療機器にそれぞれ接続され、医療機器に電力を供給するようになっている。
【００６４】
ここで、これらアノードとカソードの詳細な構成について説明する。
図３から図５は、容器２１１内部に配置された電極２２０の構成を示している。ここでは各２枚計４枚の電極を搭載し、それら電極が並列接続された構成を一例として示す。電極２２０の両端には、＋端子２３１と−端子２３２が形成されている。
【００６５】
図３から図５に示すように、カソード２２１，２２２は極薄に形成されたケース２２３に挿入されている。ケース２２３は生体と接し、かつ生体内に溶存する酸素を容器２１１の内部に取り込む必要があるため、ポリテトラフルオロエチレン等の通気性を有する材料で構成されている。
【００６６】
ポリテトラフルオロエチレンは、孔構造を有しているため気体透過性があり、例えば酸素富化膜として利用されるように、酸素透過性が良いことが知られている。また、生体適合性も兼ね備え、酸素透過性を利用して容器２１１の内部に溶存酸素を取り込むことができる。これにより、当接して配置されたカソード２２１，２２２に酸素をケース２２３外部から取り込むことができるようになっている。
【００６７】
アノード２２５，２２６とカソード２２１，２２２との間では、水素イオンのやりとりが行われればよい。特にカソード２２１，２２２には糖が不要であり、余計な糖酸化を防止するために水素透過膜２２７，２２８があればより有効である。
水素透過膜２２７，２２８は、前述したカソード２２１，２２２で生じる糖酸化に起因するクロスオーバー現象による損出を抑えるためのものであり、実際には膜がなくても発電可能であるため必須ではない。特に、省電力で運転する生体内埋め込み用の燃料電池では、多少のクロスオーバー現象が生じても大きな問題とはならない。
【００６８】
ただし、水素透過膜２２７，２２８を配置するときは、循環・対流する糖燃料を、アノード２２５，２２６と対向する水素透過膜２２７，２２８の間に供給することになる。
このとき、水素透過膜２２７，２２８とカソード２２１，２２２の隙間には、電池を組立てる際に予め支持電解質のみ注入しておけばよい。
【００６９】
アノード２２５，２２６やカソード２２１，２２２で利用する貴金属は、前述したように、金、白金を利用した貴金属のナノ粒子が好ましく、各貴金属を単体もしくは複数を混合しての利用が考えられる。特に、アノード２２５，２２６では糖の酸化が行われるため、金のナノ粒子が最も有効である。逆に、カソード２２１，２２２では酸素の還元が行われるため、白金のナノ粒子が最も有効である。
【００７０】
また、貴金属のナノ粒子とともに、助触媒となる銀、イリジウム、オスミウム、ルテニウムの利用も考えられ、前述したように糖の酸化や酸素の還元をより効率的に実施するためには、触媒となるナノ粒子の電界を高め電子移動の閾値を低くしてやることが重要であり、貴金属および助触媒となる金属との組合せも有効となる。
【００７１】
なお、電極の並列構造は必須ではなく、生体内で希薄な溶存酸素をできる限り有効に取り込むため、カソード２２１，２２２をケース２２３の両面に配置させ面積を得るための構造である。したがって、電力や酸素が充分であれば、必ずしも上記構造に限定されるものではない。また、水素イオン透過膜２２７，２２８を両電極の間に配置しているが、必須ではない。
【００７２】
燃料バッグ２１２は、図２に示すように、例えばシリコーンゴムやポリウレタンゴム等の生体適合性を有する材料で構成されており、その内部にグルコース等の糖燃料を貯蔵するようになっている。また、燃料バッグ２１２には、厚肉に形成されたセプタム（注入排出口）２１８，２１９が設けられている。このセプタム２１８，２１９は、シリンジ針を貫通自在に形成され、容器２１１に外部から燃料を注入または排出するための注入排出口として機能する。
【００７３】
セプタム２１８，２１９は、図２に示すように、燃料バッグ２１２の一部で、その部分のみ厚肉に成形されており、注射器による針を差し入れても破けない構造となっている。また、注射器の針が挿入される側をセプタム２１８とすると、セプタム２１８の反対側、すなわちセプタム２１８に対向する壁面（セプタム２１９）も厚肉に形成することで、糖燃料バッグ２１２を注射器の針が通過してしまうことも防止している。なお、セプタム２１８の対向面にチタン等の硬質な金属板を設けることとしてもよい。これにより、糖燃料バッグ２１２を注射器の針が通過してしまうことを確実に防止することができる。
【００７４】
セプタム２１８，２１９は、市販の薬剤投与用の皮下埋め込み式セプタムと同じ機能を有している。セプタムとは、血管内に繰り返し薬剤投与が必要な患者に対し、皮下に埋め込むことで、患者に繰り返し注射器の針を刺す負担を軽減させることができる薬剤投与用の医療機器である。薬剤を投与する際には、セプタム２１８，２１９にその針を刺して投与するため、患者への苦痛や負担を軽減することができる。セプタム２１８，２１９自体は皮下に埋め込むため、体外への露出がないため、感染症などの心配もない。
【００７５】
また、セプタム２１８，２１９は、前述したように、新しい糖燃料を注入するとともに、発電が完了し、活物質である糖が減少した際には古い糖燃料を回収する役目も担っている。
ここで、貴金属を触媒に用いて糖酸化による発電を行えば、燃料中の溶存酸素による酸化劣化による活性低下を防止できることは前述したが、生体内にある物質（タンパク質、脂質など）に対しての活性維持能力はない。つまり、貴金属の電極といえども、タンパク質などの有機物が吸着してしまい、すぐに活性を失うことになる。
【００７６】
そこで本実施形態に係る燃料電池２０１では、生体の体液や血液は利用せずに、生体の外部から糖燃料を供給する構造となっている。体外より不純物を含まない糖燃料を、専用の注射器によって低侵襲で供給できるセプタム２１８，２１９を、燃料バッグ２１２に設けた構造となっている。
【００７７】
本実施形態の燃料電池２０１は、上記のセプタム２１８，２１９を具備した燃料バッグ２１２を有している。セプタム２１８，２１９を有した燃料バッグ２１２が皮下に埋め込まれ、ここへ必要な糖燃料を体外より供給できる。供給された糖燃料は燃料中の糖が消耗すれば交換が必要となるため、再度セプタム２１８，２１９を介して燃料バッグ２１２内の燃料を交換することができ、交換すれば再び燃料がなくなるまで連続して発電を行うことができる。燃料の交換はセプタム２１８，２１９を経由して行うため、患者への負担も少なく、かつ体外から不純物の少ない高純度の燃料を補給できるため、貴金属電極の活性低下を生じることなく長い時間発電を行うことができる。
【００７８】
また、前述したように、高い電界を発生することができる高性能な貴金属電極を利用できれば、供給する燃料は中性あるいは弱酸性である医薬用の糖液を利用することも可能であり、市販の医薬糖液である点滴液を燃料としたインプラント用の燃料電池２０１を構成することができる。医薬用糖液であれば、たとえバッグが破損したとしても患者への急激なダメージを少なくし、安心して利用することができる。
【００７９】
また、貴金属による電極が好ましいが、本実施形態では糖燃料を体外より供給して発電を行うことができるため、従来の酵素を利用した電極であっても生体が有する有機物などからの活性低下を防止でき、長い時間の発電を期待することもできる。
また、酵素とは異なり、貴金属を触媒として糖酸化を行う場合は、燃料である糖は還元性を有する糖であれば何でも良く、利用可能な糖質についての制限はない。
【００８０】
具体的には、燃料となる糖としてはグルコースが最も優れるが、還元性を有する糖であれば同様に利用することができる。例えば医薬糖液として販売される点滴液は、還元性を有する糖を含有しており全て利用可能となる。
単糖類は全て還元性を有するため、単糖類は全て燃料電池２０１の燃料として最適である。
【００８１】
具体的に燃料として利用できる単糖類は、トリオース（三炭糖）、テトロース（四炭糖）、ペントース（五炭糖）、ヘキソース（六炭糖）、ヘプトース（七炭糖）に分類され、トリオースはグリセルアルデヒド、ジヒドロキシアセトンが、テトロースはエリトロース、トレオース、エリトルロースが、ペントースはリボース、リキソース、キシロース、アラビノース、アピオースが、ヘキソースはアロース、タロース、グロース、グルコース、アルトロース、マンノース、ガラクトース、イドース、プシコース、フルクトース、ソルボース、タガトースが、ヘプトースはセドヘプツロース、コリオースがある。
【００８２】
また、還元性を有する二糖類も燃料としてそのまま利用可能であり、還元性を有する二糖類としてはマルトース、ラクトース、セロビオースがある。
また、デンプン、グリコーゲン、セルロースのような多糖類や多糖類よりは分子量が小さなオリゴ糖は、単糖類がグルコシド結合した糖であるため、加水分解することで還元性を有する単糖類を生じることができる。
【００８３】
このため、多糖類やオリゴ糖は加水分解を加えることで、単糖類化すれば燃料として利用が可能となる。
同様に、二糖類のスクロース（ショ糖）も単糖類のグルコースとフルクトースの結合した糖であり、多糖類やオリゴ糖と同様に加水分解することで、燃料として利用することは可能である。
【００８４】
また、触媒電極となる金属は、生体への適合性と糖酸化の能力を有する貴金属が好ましい。しかしながら電極は酸素透過性を除き密封された本体内部に収納され、直接的に生体と接する構造ではないため、高度な生体適合性を要求されるものではない。具体的には、金、白金、あるいは両者の混合物、あるいは銀やイリジウムといった助触媒金属との混合も考えられる。
【００８５】
上記構成を有する燃料電池２０１の作用について以下に説明する。
まず、体内への埋め込みを容易かつ患者への負担を軽くするため、燃料バッグ２１２は空の状態で潰して容積を小さくして挿入される。このため、体内埋め込み後、最初は空の燃料バッグ２１２に燃料を注入する作業となる。最初に注入した燃料が消費された以降は、燃料バッグ２１２に溜まっている使用済み燃料を抜き出す作業の後に新規の燃料を注入することになる。
【００８６】
＜注入作業＞
皮下に埋め込まれた燃料電池２０１に、シリコン樹脂製のセプタム２１８，２１９を介して燃料が供給される。
このときの作業自体は、既存の体内埋め込み式カテーテルによるＨＰＮ（Home
Paremental Nutrition）と同じであり、セプタム２１８，２１９への孔空きを抑えることができるコアレスニードル（ヒューバー針）を挿して燃料液を注入する。ここで、ＨＰＮとは、患者自身が自宅で行える中心静脈栄養療法のことである。
【００８７】
供給された燃料は燃料バッグ２１２から、注入口２１３を介して燃料電池１の容器２１１本体内へと注ぎ込まれる。燃料の注入は、ヒューバー針を装着したシリンジ、またはＨＰＮと同様な機材でもよく、あらかじめ定量された燃料液を注入する。そして、注入が完了すればヒューバー針を抜いて注入作業は終了する。
【００８８】
＜注入後の発電＞
燃料電池２０１に注入された燃料は、直ちに燃料電池２０１内で発電に用いられる。
まずは容器２１１に注入された糖燃料を利用して発電が開始される。
ここで、金属を糖の酸化触媒とした燃料電池２０１で、燃料としてグルコースを利用した場合に生じる各電極での酸化還元反応のモデル図を図６に示す。また、図６において、アノード（負極）２２５，２２６およびカソード（正極）２２１，２２２における反応式を以下に示す。なお、図６において、グルコース１分子（＝２電子反応）としたため、０．５分子の酸素として示している。
【００８９】
ここで、式（１）、（２）はプロトン移動を基準に表した場合であり、式（３）、（４）はヒドロキシイオン移動を基準に表した場合である。いずれの式になるかは、グルコースの酸化反応系をいずれとして取り扱うかの電極や燃料などの設計に依存することになる。
負極（酸化）：Ｃ６Ｈ１２Ｏ６→Ｃ６Ｈ１０Ｏ６＋２Ｈ＋＋２ｅ−・・・（１）
正極（還元）：１／２Ｏ２＋２Ｈ＋＋２ｅ−→Ｈ２Ｏ・・・（２）
負極（酸化）：Ｃ６Ｈ１２Ｏ６＋２ＯＨ−→Ｃ６Ｈ１０Ｏ６＋２Ｈ２Ｏ＋２ｅ−・・・（３）
正極（還元）：１／２Ｏ２＋（Ｈ２Ｏ）＋２ｅ−→２ＯＨ−・・・（４）
【００９０】
プロトン移動を元に説明を行うと、燃料電池２０１の負極では、燃料であるグルコース（Ｃ６Ｈ１２Ｏ６）が酸化され、電子（ｅ−）を放出してグルコノラクトン（Ｃ６Ｈ１０Ｏ６）に変化する。このとき、グルコースの還元作用を有するアルデヒド基が、電極に吸着した水酸基との間で電子移動を生じることで、電子の放出が生じ、グルコースが酸化される。
【００９１】
一方、燃料電池２０１の正極では、負極で生成された電子により空気中の酸素（Ｏ２）を還元して水（Ｈ２Ｏ）を生成する。このとき、負極のグルコース酸化で取り出された電子（ｅ−）は、燃料液中を流れることはできないため、両電極を電気的に接続した外部回路を通って流れる。これにより、燃料電池２０１は電池として機能する。
【００９２】
ただし、外部回路に電子を流すためには、他の電池と同様に燃料中でのイオン移動が必要となるが、燃料電池２０１では燃料液中で水素イオン（Ｈ＋）が移動する。水素イオンが溶液中を、電子が外部回路中を別々に流れることで閉じた回路を形成して電気エネルギーを取り出すことができる。
【００９３】
また、ヒドロキシイオンを元に反応を考えると、式（３）、（４）の関係になり、負極ではグルコース酸化で生じるプロトンと、移動してきたヒドロキシイオンとで水を生成する。正極では酸素と水、この場合の水は体液や空気中の水蒸気が相当し、両者と負極より移動してきた電子からヒドロキシイオンが生成されることになる。
つまり、式（１）（２）の反応、式（３）（４）の反応のそれぞれは、両電極間をプロトンの移動で構成するか、ヒドロキシイオンの移動で構成するかの違いであり、電極構造に関しては同様となる。
【００９４】
なお、図６においては、現状の反応レベルである２電子移動における反応状態を示しているが、電極の触媒性能をより高めることができれば、グルコースは生体内での現象と同様に最大２４個の電子反応を得ることができる。
【００９５】
ここで、貴金属触媒電極を用いた燃料電池におけるアルカリ性電解質の場合は、アルカリ性を呈する水酸基が貴金属触媒に吸着して糖の酸化反応の反応基を担うと共に、酸化で得た電子を吸着した金属触媒を介して電極に流す役割をする。
一方、貴金属触媒電極を用いた燃料電池における中性電解質の場合は、少なくとも２つ以上の貴金属触媒を利用し、貴金属の電界強度を高め、糖酸化の電子移動閾値を下げることで糖酸化を促し電極に電子移動を行わせる役割をする。
【００９６】
＜排出作業＞
発電が行われ、グルコースが消費された場合には、新規に燃料を再度注入する前に、空のシリンジを有するヒューバー針をセプタム２１８，２１９に挿し、使用済み燃料を抜き取る。シリンジによる抜き取りが完了した後、新規の燃料を有するシリンジに交換し、上記注入作業を行う。
【００９７】
以上のように、本実施形態に係る燃料電池２０１によれば、グルコース等の燃料が、電解質溶液が収容された容器２１１内に、シリンジ等によってセプタム２１８，２１９を介して注入され、この燃料を用いて容器２１１内で発電が行われる。具体的には、容器２１１内に注入されたグルコース等の燃料は、一方の電極（負極）において、表面に固定された金、銀、白金等の貴金属を触媒として、電子を放出するともに、水素イオンを生成する（酸化）。負極において放出された電子は、一対の電極を電気的に接続する配線を通って、他方の電極（正極）に送られ、水素イオンは、容器２１１内の電解質溶液中を正極近傍に移動する。これにより、正極において、電解質溶液中を移動してきた水素イオンと、負極から送られてきた電子と、通気部２１７を介して容器２１１内に供給された酸素とが反応して、水が生成される（還元）。上記のように、負極において酸化が行われるともに、正極において還元が行われることで、発電が行われ、これら電極に電気的に接続されたペースメーカ等の機器に電力を供給することができる。
【００９８】
この場合において、各電極に貴金属を固定することで、この貴金属を触媒として機能させることができ、電解質溶液をアルカリ性にしないでも、グルコース等の燃料を酸化して発電を行うことができる。これにより、電解質溶液を中性あるいは弱酸性とすることができ、仮に生体内に埋め込まれた容器２１１から電解質溶液が漏洩した場合にも、生体へのダメージを小さくすることができる。
【００９９】
ここで、生体内の糖を燃料として発電を行う場合には、貴金属を固定させた電極でも、生体内のタンパク質や脂質などの有機物が吸着し、すぐに活性を失うことになる。これに対して、本実施形態に係る燃料電池２０１によれば、純度の高い燃料を外部から容器２１１内に供給できるため、電極への有機物の吸着を防止して、触媒の活性の低下を抑制することができ、長時間運転を行うことができる。
【０１００】
また、発電が行われることで燃料が消費されるが、外部から高純度の燃料を補給することで、発電を継続することができる。すなわち、セプタム２１８，２１９を介して外部から燃料を供給可能とすることで、容器２１１の大きさを小さくすることができ、燃料電池２０１全体の小型化を図ることができる。
【０１０１】
また、通気部２１７を、例えば４フッ化エチレン等のフッ化炭素樹脂で形成することで、容器２１１内からの電解質溶液の漏洩を防止しつつ、容器２１１内の電極へ酸素を良好に供給して、電極における還元反応を効率的に行うことができる。
【０１０２】
なお、上記の燃料電池２０１において、容器２１１の壁体をフッ化炭素樹脂で形成し、容器２１１の壁体が局所的に薄く形成された部分を通気部２１７として用いることとしてもよい。
このようにすることで、容器２１１内からの電解質溶液の漏洩を防止しつつ、容器２１１内の電極へ酸素の供給量を増加させることができ、電極における還元反応、すなわち発電の効率を向上することができる。また、容器２１１と通気部２１７との界面を無くすことができ、容器２１１を生体に埋め込んだ際の安全性を向上することができる。
【０１０３】
また、図１では、通気部２１７と容器２１１を別材料の構成で記載しているが、容器２１１の本体全体をフッ化炭素樹脂で構成しても構わない。
容器２１１の本体全体がフッ化炭素樹脂であれば、生体適合性も高く、異種材料の界面もなくなるため好ましい。
【０１０４】
［第２の実施形態］
次に、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池２０２について図面を参照して説明する。本実施形態の説明において、第１の実施形態に係る燃料電池２０１と共通する点については説明を省略し、異なる点について主に説明する。
本実施形態に係る燃料電池２０２が第１の実施形態に係る燃料電池２０１と異なる点は、燃料バッグの内部を２つの領域に区画する隔壁を設けた点である。
【０１０５】
本実施形態に係る燃料電池２０２は、図７に示すように、生体内に埋め込まれる燃料電池であって、電解質溶液を収容する容器２５１と、グルコース等の糖燃料が貯蔵された燃料バッグ（貯蔵部）２５２とを備えている。容器２５１と燃料バッグ２５２とは注入口２５３および排出口２５４を介して相互に接続されている。
【０１０６】
燃料バッグ２５２の外表面には、外部から燃料の供給や排出を可能とするセプタム２５８が設けられている。セプタム２５８の対向面には、チタン等の硬質金属で構成され、注射器の針入を防止する針入防止板２５９が設けられている。
燃料バッグ２５２の内部には、図８に示すように、燃料バッグ２５２を２つの領域（体表槽２６５と体内槽２６６）に区画する隔壁２５０が設けられている。
【０１０７】
隔壁２５０は、断熱材料で構成されており、燃料バッグ２５２の内部を、セプタム２５８が設けられた一面側と、該一面に対向する他面側とを区画し、燃料バッグ２５２の上部端縁に開口している。また、注入口２５３および排出口２５４は、隔壁２５０によって区画された体表槽２６５と体内槽２６６にそれぞれ設けられており、注入口２５３は燃料バッグ２５２の下部に、排出口２５４は燃料バッグ２５２の上部にそれぞれ設けられている。
【０１０８】
燃料バッグ２５２の外表面にはフィン２６１，２６２が設けられており、生体内の組織と燃料バッグ２５２内部の糖燃料との熱交換を行う熱交換器として機能する。このフィン２６１，２６２は、体表側と体内側のそれぞれに設けられている。
【０１０９】
上記構成を有する燃料電池２０２の作用について以下に説明する。
燃料電池２０２は、生体の皮下に埋め込んで利用する。このとき、セプタム２５８が設けられた一面側を体表側、セプタム２５８に対向する他面を体内側となるように埋め込みを行う。セプタム２５８が設けられた体表側では、体表側の燃料バッグ２５２およびフィン２６１が体表近傍の温度に保たれる。一方、セプタム２５８に対向する他面側では、体内側の燃料バッグ２５２およびフィン２６２が体内温度に保たれる。
【０１１０】
ここで、人の生体内には、その部位によって体温差を有しており、一般的に体表面では約３５〜３５．５℃であるのに対して、体内部では３７〜３７．５℃である。体心部に至っては４０℃近い体温を有していることが知られている。本実施形態に係る燃料電池２０２は、この体温差をエネルギーとして、糖燃料を循環（対流）させるものである。
【０１１１】
セプタム２５８経由で供給された糖燃料は、燃料バッグ２５２の体表槽２６５と体内槽２６６に分割して供給される。体内槽２６６に流入した糖燃料は、高い体内で温められて暖流２６３となる。一方、体表槽２６５に流入した糖燃料は体表面によって冷やされて寒流２６４となる。
【０１１２】
体内側のフィン２６２および体内槽２６６で暖められた糖燃料は、暖流２６３となって体内槽２６６内を上昇し、隔壁２５０端縁の開口を通って体表槽２６５に流入する。一方、体表側のフィン２６１および体表槽２６５で冷やされた糖燃料は、寒流２６４となって体表槽２６５内を下降し、体表槽２６５の下部に設けられた注入口２５３から容器２５１に流出する。これにより、燃料バッグ２５２内では、生体が有する体温差によって糖燃料の自然対流が行われ、容器２５１に安定して糖燃料を供給・排出することができる。
【０１１３】
具体的には、体表槽２６５と体内槽２６６の温度差により糖燃料の比重が変化し、糖燃料の比重差によってこれを平衡に保とうとする働きで糖燃料の対流が発生する。燃料電池２では、エネルギー源である糖燃料を電極へ移動させたり、発電が完了して生じた生成物を電極から遠ざけたりとすることが長時間にわたっての発電を行うことに対して重要である。これは、例えば、内燃機関が安定して長時間運転するためには、燃料であるガソリンを供給するとともに、燃焼ガスを効率よく排気することが重要であることと類似する。このとき実際には、電極界面の糖の酸化によって得られる電流に応じ、燃料中の支持電解質によるイオン移動が発生する。しかしながら電子移動に比べ、物質移動であるイオン移動はゆっくりであるとともに、大きな抵抗を有しており、イオン移動の拡散運動が燃料電池２の最大の内部抵抗となる。
【０１１４】
そこで本実施形態に係る燃料電池２０２では、長時間の運転のための燃料供給・排出とともに、生体温度による燃料全体の対流を与えることで、イオン移動による抵抗を下げることができ、高い発電力と長寿命な運転システムを得ることができる。
【０１１５】
ここで、糖は電解質ではないため、糖自体の対流や拡散は期待できない。発電に伴う濃度変化によって糖燃料の拡散が生じるが、非常に分子量の大きな糖は、拡散において大きな抵抗となる。拡散抵抗が大きいことは、安定して大きな電流を得ることが難しくなるため、本実施形態のように体温を利用した燃料の拡散を行えば、より効率的かつ無駄なく燃料を消費でき、同じ燃料の濃度でも長い時間発電を継続することができる。
【０１１６】
以上のように、本実施形態に係る燃料電池２０２によれば、隔壁２５０によって燃料バッグ２５２の内部をセプタム２５８が設けられた一面側と該一面に対向する他面側とに区画することで、体内に埋め込んだ場合に、セプタム２５８が設けられた一面側（体表面側）の糖燃料の温度よりも、他面側（体内側）の糖燃料の温度を高くすることができる。このように体内側の糖燃料と体表面側の糖燃料に温度差をつけることで、燃料バッグ２５２内における糖燃料の対流を促進させ、この対流を利用して、燃料バッグ２５２から注入口２５３を介して容器２５１へ糖燃料を供給することができる。
【０１１７】
また、燃料バッグ２５２の外表面に燃料バッグ２５２の外部と内部との熱交換を行うフィン２６１，２６２を備えることで、体内側の糖燃料と体表面側の糖燃料に効率的に温度差をつけることができ、燃料バッグ２５２内における糖燃料の対流を促進して、燃料バッグ２５２から容器２５１への糖燃料の供給を効率的に行うことができる。
【０１１８】
［変形例］
上記の各実施形態に係る燃料電池２０２の変形例として、図９から図１１に示すように、燃料バッグ２５２と容器２５１とを分離し、これら燃料バッグ２５２と容器２５１とを配管（流路）２７１，２７２で接続することとしてもよい。配管２７１，２７２は、例えば柔軟性および生体適合性を有するテフロン（登録商標）ホースを採用する。
【０１１９】
本変形例に係る燃料電池２０２によれば、燃料バッグ２５２と容器２５１とを分離型としているため、生体内に燃料バッグ２５２および容器２５１を埋め込む際のレイアウトの自由度を向上することができ、燃料バッグ２５２と容器２５１のそれぞれを生体内の空きスペースに埋め込むことができる。
【０１２０】
以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。
また、本発明の実施の形態においては、水素イオン透過膜を用いているが、これに限定されるものではなく、イオン透過膜なら何でも良い。例えば水素イオン（プロトン）を透過させるものではなく、ヒドロキシイオン（アニオン）を透過させる、アニオン透過膜を用いても良い。
例えば、各実施形態において、燃料電池は、容器と燃料バッグと備えていることとして説明したが、これに代えて、燃料バッグを設けずに容器自体にセプタムを設けることとしてもよい。
【０１２１】
また、第２の実施形態において、隔壁２５０を燃料バッグ２５２の下部端縁に開口させるとともに、注入口２５３を体内槽２６６の上部に、排出口２５４を体表槽２６５の下部にそれぞれ設けることとしてもよい。
また、上記の変形例において、第２の実施形態に係る燃料電池２０２をベースとした変形例を説明したが、第１の実施形態に係る燃料電池２０１において、容器と燃料バッグとを分離型としてもよい。
【０１２２】
［第３の実施形態］
以下、本発明の第３の実施形態に係る電池１について図面を参照して説明する。
本実施形態に係る電池１は、例えば酵素型グルコース燃料電池であり、図１２に示すように、グルコースを含む電解質溶液を収容する容器１０と、容器１０内をセル１１とセル１２に区画形成する隔壁１３と、各セル１１，１２内にそれぞれ配置された正極１４および負極１５と、容器１０の外面に設けられた注入口１６と、隔壁１３に設けられた連通孔１８と、連通孔１８に設けられたスリット弁（流路開閉部）１７とを備えている。
【０１２３】
容器１０は、水密容器であり、外部から注入口１６を介して注入される電解質溶液、グルコース等の糖燃料、およびメディエーターとしてのニコチンアミドアデニンジヌクレオチド（ＮＡＤＨ）などの酵素を収容するようになっている。
隔壁１３は、容器１０の内部に、容器１０の上面および下面と略平行に形成されており、容器１０の内部を、略等しい体積を有するセル１１とセル１２とに区画形成するようになっている。
【０１２４】
セル１１およびセル１２の内部には、正極１４および負極１５が対としてそれぞれ設けられている。
負極１５は、例えばグルコースデヒドロゲナーゼといった酵素が固定された炭素電極である。負極１５は、その表面において、表面に固定された酵素を触媒として、電解質溶液中のグルコースを酸化し、負極１５に電子を放出するともに、水素イオンを生成するようになっている。
【０１２５】
正極１４は、例えばビリルビンオキシダーゼといった酵素が固定された炭素電極である。正極１４は、その表面において、表面に固定された酵素を触媒として、電解質溶液中を移動してきた水素イオンと、負極１５から送られてきた電子と、電解質溶液中または外部から供給された酸素とを反応させ、水を生成するようになっている（還元）。
【０１２６】
容器１０には開口２０が設けられており、開口２０には、通気性および防水性を有する通気防水シート１９が設けられている。通気防水シート１９は、例えばポリテトラフルオロエチレン（４フッ化エチレン）等のフッ化炭素樹脂で形成されている。
正極１４は、通気防水シート１９に当接または近接して配置されている。このような構成とすることで、容器１０からの電解質溶液等の漏洩を防止しつつ、容器１０外部からの酸素を正極１４に供給することができる。
【０１２７】
セル１１内に配置された正極１４とセル１２内に配置された負極１５とは導線２３により接続されている。セル１２内に配置された正極１４には、外部の電子機器に接続するための正極端子２１が接続されている。セル１１内に配置された負極１５には、外部の電子機器に接続するための負極端子２２が接続されている。このような構成とすることで、セル１１とセル１２とが直列接続され、正極端子２１と負極端子２２とに接続された電子機器に電気を供給するようになっている。
【０１２８】
注入口１６は、例えばシリコン等の弾性部材で構成されており、図１３に示すように、シリンジ針等の管路を貫通させるためのスリット２５が形成されている。注入口１６は、容器１０を平面視した場合に、容器１０の上面の略中央に設けられている。このような構成とすることで、注入口１６は、図１４に示すように、シリンジ針等の管路をスリット２５に挿入することによって、容器１０内に外部から電解質溶液を注入することができるようになっている。
【０１２９】
連通孔１８は、隔壁１３を平面視した場合に、隔壁１３の略中央に設けられた孔であり、セル１１とセル１２とを連通するようになっている。
スリット弁１７は、注入口１６と同様に、例えばシリコン等の弾性部材で構成され、シリンジ針等の管路を貫通させるためのスリット２５が形成された弁である。スリット弁１７は、図１３に示すように、隔壁１３を平面視した場合に、隔壁１３の略中央に設けられている。すなわち、スリット弁１７は、注入口１６と連通孔１８とを通る一直線上に配置されている。
【０１３０】
注入口１６およびスリット弁１７のスリット２５は、図１５に示すように、スリット２５にシリンジ針２７が挿通した条件において、レモン形に開くようになっている。このようにすることで、図１６に示すように、スリット２５にシリンジ針２７を挿入した場合に、スリット２５とシリンジ針２７との間に隙間が形成され、該隙間から空気や電解質溶液を好適に流通させることができる。
【０１３１】
注入口１６およびスリット弁１７のスリット２５は、スリット２５の両側の部材がシリンジ針２７の挿入方向内方（図１２において紙面下方向）に向けて傾斜して接触している。スリット２５をこのような形状とすることで、スリット２５からシリンジ針２７を抜いた際に、セル１１およびセル１２に満たされた電解質溶液から受ける圧力によって、スリット２５の両側の部材を互いにより強く密着させ、注入口１６およびスリット弁１７の水密性を向上することができる。
【０１３２】
容器１０に供給される電解質溶液は、図１４に示すように、シリンジ９により注入される。
シリンジ９は、底面が開口した円筒部材２９と、円筒部材２９の内部に挿入される可動式のピストン部２８と、円筒部材２９の上面（底面に対向する面）に接続されたシリンジ針（管路）２７とを備えている。シリンジ針２７は、円筒部材２９の内部と連通し、先端が開口している。シリンジ９は、シリンジ９のピストン部２８を押圧することで、円筒部材２９内部に収容された流体をシリンジ針２７の先端から排出するようになっている。
【０１３３】
このような構成を有することで、図１４に示すように、シリンジ９の円筒部材２９に電解質溶液を収容した状態で、シリンジ針２７を注入口１６およびスリット弁１７に貫通させることにより、シリンジ針２７から電解質溶液を容器１０（セル１２）内に注入することができる。また、シリンジ針２７によりスリット弁１７のスリット２５を拡げてセル１１とセル１２との間の流路を開き、セル１２からセル１１へ電解質溶液を供給することができる。
【０１３４】
そして、このシリンジ針２７を注入口１６およびスリット弁１７から抜くことで、スリット弁１７の有する弾性力によりスリット２５が塞がれ、セル１１とセル１２との間の流路を閉じるようになっている。すなわち、スリット弁１７は、容器１０への電解質溶液の注入時にはセル１１とセル１２との間の流路を開き、容器１０への電解質溶液の注入後にはセル１１とセル１２との間の流路を閉じるようになっている。
【０１３５】
上記構成を有する電池１の作用について説明する。
図１４に示すように、シリンジ９のシリンジ針（管路）２７を注入口１６およびスリット弁１７に挿入すると、図１５に示すように、弾性体で形成された注入口１６およびスリット弁１７のスリット２５が拡げられ、シリンジ針２７が注入口１６からセル１１を貫通して、シリンジ針２７の先端がセル１２内に挿入される。
【０１３６】
この状態において、シリンジ９のピストン部２８を押圧し、シリンジ９内部に収容された電解質溶液（グルコース等の糖燃料を含む）に圧力をかけると、図１６に示すように、シリンジ９内部の電解質溶液は、シリンジ針２７を流通し、シリンジ針２７の先端からセル１２内に供給される。
【０１３７】
シリンジ９からセル１２内に供給された電解質溶液は、セル１２の内部に充填される。この際、セル１２内部の空気は、図１６に示すように、スリット弁１７のスリット２５を通って、セル１１に排出される。また、セル１１内部の空気は、注入口１６のスリット２５を通って、容器１０（セル１１）の外部に排出される。
【０１３８】
シリンジ９から供給された電解質溶液がセル１２の内部を満たすと、図１６に示すように、セル１２内の電解質溶液が、スリット弁１７のスリット２５を拡げて形成された隙間からセル１１に供給される。このようにして、セル１１およびセル１２に電解質溶液が注入される。
【０１３９】
セル１１およびセル１２への電解質溶液の注入が終了した場合には、シリンジ針２７を注入口１６およびスリット弁１７から抜く。この際、図１７に示すように、スリット弁１７の有する弾性力によりスリット２５が塞がれ、セル１１とセル１２との間の流路が閉じられる。また、注入口１６の有する弾性力によりスリット２５が塞がれ、容器１０（セル１１）から外部への電解質溶液の漏洩が防止される。
【０１４０】
この状態において、セル１１およびセル１２内で発電が行われる。具体的には、セル１１およびセル１２内の電解質溶液中のグルコースは、負極１５において、表面に固定されたグルコースデヒドロゲナーゼを触媒として、電子を放出するともに、水素イオンを生成する（酸化）。負極１５に放出された電子は、負極１５と正極１４とを電気的に接続する配線を通って、正極１４に送られる。
【０１４１】
生成された水素イオンは、セル１１およびセル１２内の電解質溶液中を正極１４近傍に移動する。これにより、正極１４において、電解質溶液中を移動してきた水素イオンと、負極１５から送られてきた電子と、通気防水シート１９を容器１０外部から透過してきた酸素とが反応して、水が生成される（還元）。上記のように、負極１５において酸化が行われるともに、正極１４において還元が行われることで、発電が行われ、これら電極に電気的に接続された電子機器に電力が供給される。
【０１４２】
以上のように、本実施形態に係る電池１によれば、電解質溶液を容器１０内に注入する際、シリンジ針２７が注入口１６を介して容器１０内に挿入されると、スリット弁１７によりセル１１とセル１２との間の流路が開かれ、セル１１とセル１２が連通される。この状態で、シリンジ９から電解質溶液がセル１１およびセル１２に注入される。そして、容器１０内への電解質溶液の注入後には、シリンジ針２７を注入口１６およびスリット弁１７を抜くことで、スリット弁１７によりセル１１とセル１２との間の流路が閉じられる。これにより、セル１１とセル１２とが独立した燃料電池として形成される。
【０１４３】
すなわち、本実施形態に係る電池１によれば、１回の注入作業でセル１１およびセル１２内に電解質溶液を容易に注入できるとともに、電解質溶液の注入後にはセル１１とセル１２との間における電荷の移動を防止することができる。これにより、セル１１とセル１２とを直列接続した場合に、セル間における電荷の移動による電圧低下を防止し、所望の電圧を得ることができる。
また、本実施の形態においては、例えば第１、第２の実施形態のように燃料バックあるいは電極周辺部を一体化した構造においても用いてもよい。
【０１４４】
［第４の実施形態］
次に、本発明の第４の実施形態に係る電池２について図面を参照して説明する。本実施形態の説明において、第３の実施形態と共通する点については説明を省略し、異なる点について主に説明する。
本実施形態に係る電池２が第３の実施形態に係る電池１と異なる点は、注入口１６およびスリット弁１７のスリットの形状である。
【０１４５】
本実施形態に係る電池２は、図１８に示すように、注入口１６およびスリット弁１７のスリットの形状の他は、第１の実施形態に係る電池１と同様の構成を有している。
注入口１６およびスリット弁１７は、図１９に示すように、スリット２５に代えて、シリンジ針２７を貫通させるピンホール２９を有している。
【０１４６】
注入口１６およびスリット弁１７に、例えば切り裂きに弱いシリコンゴム素材を採用した場合、スリットでは切り裂きが成長してしまい、結果として注入口１６およびスリット弁１７の水密性を低下させてしまう場合がある。
このような場合において、本実施形態に係る電池２のように、注入口１６およびスリット弁１７に、スリットではなく、ピンホール２９を設けることが有効である。
【０１４７】
この場合において、シリンジ針２７を、図２０に示すように、外周面が内側（半径方向内方）に窪んだ形状とすることが望ましい。すなわち、シリンジ針２７の横断面形状を、図１６に示すような円形ではなく、例えば星型のような、外形を包絡する包絡線３１に凹部３２が設けられた横断面形状とすることが望ましい。このようにシリンジ針２７の横断面形状を構成することで、シリンジ針２７を容器１０内に挿入した際に、凹部３２によりセル１１とセル１２とを連通させることができる。
【０１４８】
上記構成を有する本実施形態に係る電池２によれば、注入口１６およびスリット弁１７のスリットの切り裂き増大による水密性の低下を防止しつつ、１回の注入作業でセル１１およびセル１２に電解質溶液を容易に注入できる。また、シリンジ針２７を注入口１６およびスリット弁１７から抜いた後は、セル１１とセル１２との間における電荷の移動を防止することができる。これにより、セル１１とセル１２とを直列接続した場合に、セル間における電荷の移動による電圧低下を防止し、所望の電圧を得ることができる。
【０１４９】
また、図２１に示すように、シリンジ針２７の先端を閉塞するとともに、シリンジ針２７を容器１０内に挿入した場合におけるセル１１およびセル１２に対応する位置に、それぞれ開口３５，３６を設けることとしてもよい。
このようにすることで、セル１１およびセル１２への電解質溶液の注入作業を同時に行うことができ、該注入作業の所要時間を短縮することができる。
また、本実施の形態においては、例えば第１、第２の実施形態のように燃料バックあるいは電極周辺部を一体化した構造においても用いてもよい。
【０１５０】
［第５の実施形態］
次に、本発明の第５の実施形態に係る電池３について図面を参照して説明する。本実施形態の説明において、前述の各実施形態と共通する点については説明を省略し、異なる点について主に説明する。
本実施形態に係る電池３が前述の各実施形態に係る電池１，２と異なる点は、各セルを仕切る隔壁の数量および配置である。
【０１５１】
本実施形態に係る電池３は、図２２に示すように、容器１０の内部を、略等しい体積を有する３つのセル４１，４２,４３に区画形成する隔壁４４，４５を備えている。
隔壁４４は、容器１０の上面および下面に略平行に形成された底壁４４ａと、容器１０の側面に略平行に形成された側壁４４ｂとを備えている。
隔壁４５は、容器１０の上面および下面に略平行に形成された底壁４５ａと、容器１０の側面に略平行に形成された側壁４５ｂとを備えている。
【０１５２】
底壁４４ａよりも下方向に底壁４５ａが配置されるとともに、側壁４４ｂよりも半径方向外方に側壁４５ｂが配置されている。すなわち、容器１０の内部において隔壁４５によりセル４３とその他の部分（セル４１およびセル４２）とに区画され、その他の部分において隔壁４４によりセル４１とセル４２とに区画されている。
【０１５３】
セル４１，４２,４３の内部には、正極１４および負極１５が対としてそれぞれ設けられている。
セル４１内に配置された正極１４とセル４２内に配置された負極１５とは、導線２３により接続されている。セル４２内に配置された正極１４とセル４３内に配置された負極１５とは、導線２３により接続されている。セル４３内に配置された正極１４には、外部の電子機器に接続するための正極端子２１が接続されている。セル４１内に配置された負極１５には、外部の電子機器に接続するための負極端子２２が接続されている。このような構成とすることで、３つのセル４１，４２,４３が直列接続され、正極端子２１と負極端子２２とに接続された電子機器に電気を供給するようになっている。
【０１５４】
容器１０の外周面には注入口１６が設けられている。また、側壁４４ｂ，４５ｂにはスリット弁１７がそれぞれ設けられている。これら注入口１６とスリット弁１７は、一直線上に配置されている。すなわち、容器１０の外周面から内側に向かってシリンジ９のシリンジ針２７を挿入することで、シリンジ針２７が注入口１６およびスリット弁１７を貫通するようになっている。
【０１５５】
上記構成を有する本実施形態に係る電池３によれば、容器１０の外周面と側壁４５ｂとの距離および側壁４５ｂと側壁４４ｂとの距離を短くすることができ、セル４１，４２,４３に電解質溶液を注入するために必要なシリンジ９のシリンジ針２７の長さを短くすることができる。
【０１５６】
なお、本実施形態に係る電池３において、図２３に示すように、側壁４４ｂに接続され、容器１０の上面および下面に略平行に形成された底壁４４ｃと、側壁４５ｂに接続され、底壁４４ｃの下方において容器１０の上面および下面に略平行に形成された底壁４５ｃとを備えることとしてもよい。
【０１５７】
この場合、スリット弁１７を底壁４４ｃ，４５ｃにそれぞれ設け、これらスリット弁１７を注入口１６と一直線上に配置することで、本実施形態に係る電池３と同様に、セル４１，４２,４３に電解質溶液を注入するために必要なシリンジ９のシリンジ針２７の長さを短くすることができる。
また、本実施の形態においては、例えば第１、第２の実施形態のように燃料バックあるいは電極周辺部を一体化した構造においても用いてもよい。
【０１５８】
［第６の実施形態］
次に、本発明の第６の実施形態に係る電池４について図面を参照して説明する。本実施形態の説明において、前述の各実施形態と共通する点については説明を省略し、異なる点について主に説明する。
【０１５９】
本実施形態に係る電池４は、図２４に示すように、例えば６つのセルで構成されたカーバッテリーである。
図２４および図２５に示すように、各セルには電解質溶液を注入するための注入口５１が設けられており、各セル間には各セル間の流路を開閉する手動弁（流路開閉部）５３と、手動弁５３に接続されて手動弁５３を動作させる手動コック５２とが設けられている。
【０１６０】
上記構成を有することで、電池４は、手動コック５２を操作して、手動弁５３を閉じることによってセル間の流路を遮断し、手動弁５３を開くことによって隣接するセルを連通させることができる。
また、各セルの内部には、正極１４および負極１５が対としてそれぞれ設けられている。これら電極は直列に接続されており、６つのセルが直列接続された電池を構成している。
【０１６１】
上記構成を有する電池４の作用について以下に説明する。
まず、図２７に示すように、手動コック５２を操作して、５箇所の隔壁毎に設けられた手動弁５３を全て開栓する。
次に、セル毎に設けられた６つの注入口５１の内、いずれか１箇所の注入口５１の蓋（図示略）を開いて電解質溶液を注入する。これにより、一回の注入操作で全てのセルに電解質溶液が注入される。
【０１６２】
電解質溶液の注入が完了したら、図２６に示すように、手動コック５２を操作して、５箇所の手動弁５３を全て閉栓する。これにより、全てのセルが遮断され、全てのセルが直列接続された電池が構成される。
【０１６３】
以上のように、本実施形態に係る電池４によれば、電解質溶液を注入する際、手動弁５３を開いて各セル間を連通させるとともに、電解質溶液の注入後には手動弁５３を閉じてセル間の連通を禁止することができる。これにより、１回の注入作業で複数のセル内に電解質溶液を容易に注入できるとともに、電解質溶液の注入後にはセル間における電荷の移動を防止することができる。
また、本実施の形態においては、例えば第１、第２の実施形態のように燃料バックあるいは電極周辺部を一体化した構造においても用いることができる。
【０１６４】
［第７の実施形態］
次に、本発明の第７の実施形態に係る電池５について図面を参照して説明する。本実施形態の説明において、前述の各実施形態と共通する点については説明を省略し、異なる点について主に説明する。
【０１６５】
本実施形態に係る電池５は、例えば水を注入することで電池として機能する水電池である。
本実施形態に係る電池５は、図２８に示すように、円筒形状を有しており、上面のほぼ中央部には水を注入するための注入口６２が設けられている。また、電池５の外周面には、通気防水シート１９が複数枚配置されている。
【０１６６】
本実施形態に係る電池５は、図２９に示すように、円筒形状の容器１０が隔壁６５，６６によって複数のセルに区画形成されている。具体的には、容器１０の略中央に円筒形の隔壁６５が配置されており、この隔壁６５により、容器１０の略中央に共通流路６０が形成されている。また、隔壁６５から半径方向外方に放射状に延びるように６つの隔壁６６が配置されており、これら隔壁６６により、略等しい体積を有する６つのセル６１が形成されている。これらセル６１は共通流路６０の外側に隣接して形成されている。
【０１６７】
共通流路６０とセル６１との間、すなわち隔壁６５には、共通流路６０とセル６１とを連通する連通孔がそれぞれ設けられている。この連通孔には、共通流路６０からセル６１へ流体を流通させる一方、セル６１から共通流路６０への流体の流通を禁止する逆止弁６７が、それぞれ設けられている。
逆止弁６７は、例えばシリコンゴムで構成されており、図３０に示すように、ダックビル形状に形成されている。なお、逆止弁６７は、自転車の虫ゴムと同様の構成でも良い。
【０１６８】
また、セル６１の内部には、正極１４および負極１５が対としてそれぞれ設けられている。これらセル６１において、正極１４と隣接するセル６１の負極１５とが接続されており、６つのセル６１が直列接続された電池を構成している。
負極１５はマグネシウム電極、正極１４は炭素電極である。正極１４と負極１５との間には、塩分を含んだ絶縁性物質が挟まれている。このような構成を有することで、電池５は、水を注入しない限り放電せずに、長期間の保存が可能な水電池を構成している。
【０１６９】
注入口６２は、例えばシリコンゴムで構成されており、円錐形状の頂点にピンホール６３を有している。
なお、注入口６２は、このようなピンホール６３を有する構成に代えて、ピンホールの空いていないシリコンゴム製のセプタムに対して、シリンジ針２７を突き刺して貫通させる構成としても良い。
また、容器１０の外周面には、セル毎に開口が設けられており、この開口にそれぞれ通気防水シート１９が設けられている。
【０１７０】
上記構成を有する電池５の作用について以下に説明する。
図３１に示すように、まず、シリンジ９に水を充填した状態で、注入口６２のピンホール６３に、シリンジ針２７を挿入する。
次に、シリンジ９内の水をシリンジ針２７から共通流路６０に注入する。
【０１７１】
共通流路６０内が水で満たされると、共通流路６０内の水圧によって各逆止弁６７が開き、各セルに同時進行で水が流入する。
この際、元々セル６１内に充満していた気体は、セル６１毎に設けられた通気防水シート１９を通じて外部に排気される。
【０１７２】
全てのセル６１に対する注入が完了したらシリンジ針２７を抜去する。これにより、各逆止弁６７が閉じ、共通流路６０と各セル６１との流路が閉じられる。これにより、全てのセル６１が独立した電池として形成され、電池５全体として全てのセル６１が直列接続された電池として構成される。
【０１７３】
以上のように、本実施形態に係る電池５によれば、注入口６２を介して共通流路６０に水供給する際には、逆止弁６７により共通流路６０と各セル６１間との流路が開かれる。そして、共通流路６０への水の注入後には、逆止弁６７により共通流路６０と各セル６１との間の流路が閉じられる。これにより、１回の注入作業で共通流路６０を介して複数のセル６１内に水を容易に注入できるとともに、共通流路６０と各セル６１との間およびセル６１間における電荷の移動を防止することができる。
【０１７４】
また、共通流路６０と各セル６１との間に逆止弁６７を設けることで、弁の開閉動作を行うことなく、共通流路６０からセル６１に水を流通させるとともに、セル６１から共通流路６０への水の流通を禁止することができる。
また、各セル６１を、共通流路６０の外側に隣接して配置することで、１つの共通流路６０に多くのセル６１を隣接させることができ、電池の小型化を図ることができる。
【０１７５】
なお、本実施形態に係る電池５において、図３２に示すように、各セル６１の上面に開口を設け、この開口に通気防水シート１９を配置することとしてもよい。
このようにすることで、図３３に示すように、各セル６１に水を注入する際の、各セル６１からの排気を良好に行うことができ、各セル６１への注水作業を容易なものとすることができる。
また、本実施の形態の構造においては、例えば第１、第２の実施形態のように燃料バックあるいは電極周辺部を一体化した構造においても用いてもよい。
【０１７６】
［第８の実施形態］
次に、本発明の第８の実施形態に係る電池６について図面を参照して説明する。本実施形態の説明において、前述の各実施形態と共通する点については説明を省略し、異なる点について主に説明する。
【０１７７】
本実施形態に係る電池６は、例えばアルカリ型グルコース燃料電池である。
本実施形態に係る電池６は、図３５に示すように、容器１０の内部が、容器１０の側面に略平行に設けられた隔壁７２および容器１０の底面に略平行に設けられた隔壁７４により、酸化反応が行われる第１酸化極室８１および第２酸化極室８２と、還元反応が行われる第１還元極室８３および第２還元極室８４の４室に区画形成されている。
【０１７８】
第１酸化極室８１の上面には、例えばシリコンゴムで構成され、円錐形状の頂点にピンホールを有する注入口７９が設けられている。
第１酸化極室８１と第２酸化極室８２とを区画する隔壁７４には、第１酸化極室８１から第２酸化極室８２へ流入する方向のみ許容する逆止弁７３が配置されている。
【０１７９】
第１還元極室８３の上面には、例えばシリコンゴムで構成され、円錐形状の頂点にピンホールを有する注入口７８が設けられている。
第１還元極室８３と第２還元極室８４とを区画する隔壁７４には、第１還元極室８３から第２還元極室８４へ流入する方向の流通のみ許容する逆止弁７３が配置されている。
各逆止弁７３は、注入口７８，７９のそれぞれにシリンジ針２７を挿入した際に、シリンジ針２７が刺さらないように、シリンジ針２７の挿入方向からずらした位置に配置されている。
【０１８０】
第１酸化極室８１と第２酸化極室８２には、金微粒子が固定されたカーボンペーパーから構成された酸化極（負極）８５がそれぞれ配置されている。
また、第１酸化極室８１と第２酸化極室８２には、開口が設けられており、この開口には通気防水シート１９が設けられている。
【０１８１】
第１還元極室８３と第２還元極室８４には、酸化マンガンが固定されたステンレス網電極で構成された還元極（正極）８６がそれぞれ配置されている。また、第１還元極室８３と第２還元極室８４には、還元極８６の外側近傍に開口が設けられており、この開口には通気防水シート１９が設けられている。また、還元極８６の内側近傍には、プロトン透過型の固体電解質膜７５が設けられている。
【０１８２】
第１酸化極室８１の酸化極８５には負極端子２２が接続され、第２還元極室８４の還元極８６には正極端子２１が接続されている。また、第２酸化極室８２の酸化極８５と第１還元極室８３の還元極８６とが導線２３により接続されている。このような構成とすることで、全体として２個のセルが直列接続され、正極端子２１と負極端子２２とに接続された電子機器に電気を供給するようになっている。
【０１８３】
第１酸化極室８１と第１還元極室８３とを区画する隔壁７２には、第１酸化極室８１と第１還元極室８３との流路を開閉する手動弁７１が設けられている。
第２酸化極室８２と第２還元極室８４とを区画する隔壁７２には、第２酸化極室８２と第２還元極室８４との流路を開閉する手動弁７１が設けられている。
【０１８４】
これらの手動弁７１は、図３４に示すように、リンク（連結機構）７７によって連結されており、一方の手動弁７１を操作することで、他方の手動弁７１も連動して動作するようになっている。
第２酸化極室８２の底面には、内部に供給された燃料液等を排出するためのドレインコック７６が設けられている。ドレインコック７６は、燃料液排出時以外は閉鎖して用いられる。
【０１８５】
上記構成を有する電池６の作用について以下に説明する。
まず、準備段階として、手動弁７１およびドレインコック７６を閉栓しておく。
次に、図３６に示すように、第１酸化極室８１の注入口７９にシリンジ針２７を挿入し、シリンジ９からグルコース溶液Ｂを注入する。第１酸化極室８１内がグルコース溶液Ｂで満たされると、グルコース溶液Ｂの圧力によって、逆止弁７３が開き、第２酸化極室８２にもグルコース溶液Ｂが注入される。この際、元々、第１酸化極室８１および第２酸化極室８２に充満していた気体は、通気防水シート１９を通じて外部に排出される。
【０１８６】
次に、第１還元極室８３の注入口７８にシリンジ針２７を挿入し、シリンジ９からアルカリ溶液Ａを注入する。第１還元極室８３内がアルカリ溶液Ａで満たされると、アルカリ溶液Ａの圧力によって、逆止弁７３が開き、第２還元極室８４にもアルカリ溶液Ａが注入される。この際、元々、第１還元極室８３および第２還元極室８４に充満していた気体は、通気防水シート１９を通じて外部に排出される。
なお、グルコース溶液Ｂおよびアルカリ溶液Ａの注入順序は逆でもよく、同時であってもよい。
【０１８７】
この時点では、手動弁７１が閉栓状態なので、酸化極８５と還元極８６とが電気化学的に隔離されており、酸化還元反応は起きない。また、グルコースはアルカリ中で異性化する性質があるが、この時点では両者が分離されているので、グルコースの異性化を防止できる。
【０１８８】
次に、図３７に示すように、２つの手動弁７１をリンク７７により同時に開栓することで、第１酸化極室８１と第１還元極室８３とから構成される第１セルと、第２酸化極室８２と第２還元極室８４とから構成される第２セルとにおいて、グルコース溶液Ｂとアルカリ溶液Ａとが混合し、各セルにおいて酸化還元反応が起こる。これにより、全体として、第１セルと第２セルが電気的に直列接続された電池が構成される。
【０１８９】
電池出力が衰えた場合には、図３９に示すように、燃料液を交換する操作の準備として、ドレインコック７６を開放し、グルコース溶液Ｂとアルカリ溶液Ａとの混合液を排出する。
この際、図３８に示すように、注入口７８または注入口７９のいずれかにシリンジ針２７を挿入し、第１酸化極室８１または第１還元極室８３に空気を注入すると、圧力で押し出された溶液が各逆止弁７３および、ドレインコック７６を通じて排出される。
また、本実施の形態の構造においては、例えば第１、第２の実施形態のように燃料バックあるいは電極周辺部を一体化した構造においても用いることができる。
【０１９０】
［第９の実施形態］
次に、本発明の第９の実施形態に係る電池７について図面を参照して説明する。本実施形態の説明において、前述の各実施形態と共通する点については説明を省略し、異なる点について主に説明する。
【０１９１】
本実施形態に係る電池７は、例えばダイレクトメタノール型燃料電池である。
図４０に示すように、容器１０の内部は、隔壁９７，９８により、第１室９１、第２室９２、および第３室９３に区画形成されている。
また、本実施の形態の構造においては、例えば第１、第２の実施形態のように燃料バックあるいは電極周辺部を一体化した構造においても、用いてもよい。
【０１９２】
第１室９１、第２室９２、および第３室９３の底面にはそれぞれ開口が設けられており、これら開口には固体電解質膜９６がそれぞれ設けられている。
各固体電解質膜９６の内側には、負極９５として白金微粒子が固定された炭素繊維電極がそれぞれ配置されている。
また、各固体電解質膜９６の外側には、正極９４として白金微粒子が固定された炭素繊維電極がそれぞれ配置されている。
【０１９３】
第１室９１の正極９４には正極端子２１が接続され、第３室９３の負極９５には負極端子２２が接続されている。また、第１室９１の負極９５と第２室９２の正極９４とが導線２３により接続されている。また、第２室９２の負極９５と第３室９３の正極９４とが導線２３により接続されている。このような構成とすることで、第１室９１、第２室９２、第３室９３が直列接続され、正極端子２１と負極端子２２とに接続された電子機器に電気を供給するようになっている。
【０１９４】
第１室９１、第２室９２、および第３室９３の上面にはそれぞれ開口が設けられている。
第１室９１および第３室９３の開口には、通気防水シート１９が設けられている。一方、第２室９２の開口には、燃料液（メタノール）を注入するための注入口９９が設けられている。
【０１９５】
隔壁９７には、第２室９２から第１室９１に向かう方向の流れを許容する一方、第１室９１から第２室９２に向かう方向の流れを禁止する逆止弁１００が設けられている。
隔壁９８には、第２室９２から第３室９３に向かう方向の流れを許容する一方、第３室９３から第２室９２に向かう方向の流れを禁止する逆止弁１００が配置されている。
【０１９６】
上記構成を有する電池７の作用について以下に説明する。
まず、図４１に示すように、シリンジ９に燃料液を収容した状態で、注入口９９にシリンジ針２７を挿入し、シリンジ９から燃料液を第２室９２に注入する。
これにより、第２室９２内の圧力が上昇し、この圧力によって逆止弁１００の各々が開放し、第２室９２から第１室９１と第３室９３の各々に燃料液が流入する。
【０１９７】
このとき、元々各室内に充満していた気体は、注入される燃料液の圧力に押し出されて、第１室９１、第３室９３の各々に設けられた通気防水シート１９から排気される。
全室の注入が終了した後で、シリンジ針２７を抜去する。これにより、注入口９９および各逆止弁１００が閉じ、第１室９１、第２室９２、および第３室９３は各々独立したセルとして隔離される。これにより、全体として、第１室９１、第２室９２、および第３室９３が電気的に直列接続された電池として構成される。
【０１９８】
［第１０の実施形態］
次に、本発明の第１０の実施形態に係る電池８について図面を参照して説明する。本実施形態の説明において、前述の各実施形態と共通する点については説明を省略し、異なる点について主に説明する。
【０１９９】
本実施形態に係る電池８が前述の各実施形態に係る電池と異なる点は、セルの電気的接続構成である。なお、セルの電気的接続構成以外の構成である、容器、隔壁、正極、負極、注入口、連通孔、流路開閉部については、前述の各実施形態の概念を適用できる。
【０２００】
図４２は、本実施形態に係る電池８のセルの電気的接続構成を説明する模式図である。
図４２に示すように、本実施形態に係る電池８は、電解質流体を収容する複数のセル（セルＡ〜セルＥ）を有している。セルＡ〜セルＥの内部には、それぞれ正極１４および負極１５が配置されている。
【０２０１】
セルＡ〜セルＥは、例えば手動弁等の流路開閉部１０３を介して、共通流路１０２とそれぞれ連通している。
共通流路１０２には、電解質流体を注入するための注入口１０１が設けられている。
【０２０２】
セルＡ〜セルＥ内に配置された正極１４および負極１５は、電気的接続切り替え装置（電気的接続切り替え部）１０４にそれぞれ接続されている。電気的接続切り替え装置１０４は、各セルにおける正極１４および負極１５の接続構成を切り替える装置である。セルＡ〜セルＥには、この電気的接続切り替え装置１０４を介して、装置Ａ〜Ｃが接続されている。
【０２０３】
図４２に示す例においては、セルＡの正極１４およびセルＢの負極１５が装置Ａに接続されるとともに、セルＡの負極１５とセルＢの正極１４とが接続されている。すなわち、セルＡとセルＢを直列に接続する構成で装置Ａの電源とされている。
【０２０４】
また、セルＣの正極１４および負極１５が装置Ｂに接続されている。すなわち、セルＣは単独で装置Ｂの電源とされている。
また、セルＤの正極１４およびセルＥの負極１５が装置Ｃに接続されるとともに、セルＤの正極１４とセルＥの正極１４とが接続され、セルＤの負極１５とセルＥの負極１５とが接続されている。すなわち、セルＤとセルＥを並列に接続する構成で装置Ｃの電源とされている。
【０２０５】
上記構成を有することで、本実施形態に係る電池８は、複数のセルに燃料液を注入した単一の電池でありながら、複数の装置に対する個別の電池として、各セルの並列接続または直列接続の組合せを臨機応変に選択して使用することが可能である。
【０２０６】
なお、セルＤとセルＥを並列に接続する構成で装置Ｃの電源とする場合は、セルＤとセルＥの流路開閉部１０３は開かれていてもよく、この場合はセルＤとセルＥ間で流体の対流が可能なので流体の状態が平均化される効果がさらに生じる。
【０２０７】
また、本実施形態において、装置Ａ〜Ｃに対する電気的接続構成は、電気的接続切り替え装置１０４を動作させることで容易に変更することができる。例えば、装置ＡにセルＡとセルＢとを並列接続させることや、装置ＣにセルＤとセルＥとを直列接続させることも可能である。また、各装置に全てのセルを直列接続または並列接続させることも可能である。
また、本実施の形態の構造においては、例えば第１、第２の実施形態のように燃料バックあるいは電極周辺部を一体化した構造においても、用いてもよい。
【０２０８】
［第１１の実施形態］
次に、本発明の第１１の実施形態に係る電池９について図面を参照して説明する。本実施形態の説明において、前述の各実施形態と共通する点については説明を省略し、異なる点について主に説明する。
【０２０９】
本実施形態に係る電池９が前述の第１０の実施形態に係る電池８と異なる点は、セルの電気的接続の方法である。
図４３に示すように、電気的接続切り替え装置１０４は、セルＡ〜セルＥの正極１４にそれぞれ接続されたスイッチＡ〜Ｅを有している。
【０２１０】
本実施形態に係る電池９において、セルＡ〜セルＥの正極１４はそれぞれスイッチＡ〜Ｅを介して接続されて、装置１０５に接続されている。セルＡ〜セルＥの負極１５はそれぞれ接続されて、装置１０５に接続されている。すなわち、セルＡ〜ＥはスイッチＡ〜Ｅを介して並列に接続された構成で装置１０５の電源とされている。
【０２１１】
図４３に示す例においてスイッチＡは閉じているが、他のスイッチは開放している。この場合には、装置１０５にセルＡのみから給電される。
装置１０５の運転によってセルＡの電力が消耗した時点で図４４に示す構成に切換えることができる。図４４においては、スイッチＢは閉じているが、他のスイッチは開放している。この切換え操作によって、電力が消耗したセルＡの使用を中止し、未使用のセルＢの使用を開始することができる。
【０２１２】
本実施形態に係る電池９は、各セルを直列接続する構成で有効であることは前述の各実施形態と同様であるが、各セルを並列接続に適用した場合にも、上述のように、使用していたセルの電力が消耗した場合に、未使用のセルに接続する構成に切換えることによって、新品電池に交換することと同様の効果が得られる。
【０２１３】
以上、本発明の各実施形態について図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。
例えば、各実施形態において、容器１０内に形成されるセルの数はこれらの例に限定されるものではなく、２つ以上のセルが形成される構成であれば本発明を適用することが可能である。
【０２１４】
また、各実施形態において、酵素型グルコース燃料電池やアルカリ型グルコース燃料電池等の例を挙げて説明したが、これらの例に限定されるものではなく、流体を外部から注入するタイプの電池であれば本発明を適用することが可能である。
また、本実施の形態の構造においては、例えば第１、第２の実施形態のように燃料バックあるいは電極周辺部を一体化した構造においても、用いてもよい。
【０２１５】
［第１３の実施形態］
本発明の第１３の実施形態に係る燃料電池用電極３０１および燃料電池３００について図４５〜図４８を参照して以下に説明する。
本実施形態に係る燃料電池用電極３０１は、糖溶液を燃料として用いる燃料電池に搭載されるものであり、図４５に示されるように、プロトン伝導膜３０２と、該プロトン伝導膜３０２を間に挟んで対向して配置された正極３０３および負極３０４とを備え、これらは一体に形成されている。
【０２１６】
イオン伝導膜３０２には電池の構成の手法によって、カチオンを透過するカチオン透過膜３０２ａを利用する場合と、アニオンを透過するアニオン透過膜３０２ｂを利用する場合の２種類がある。いずれも材料の選択の差であり、構成は同じであることから以下にイオン伝導膜３０２としてカチオン透過膜３０２ａを利用した場合に関して記載する。
【０２１７】
プロトン伝導膜３０２は、イオン伝導性に優れた高分子膜であり、セロハンやパーフルオロスルホン酸膜などが用いられる。パーフルオロスルホン酸膜としては、例えば、デュポン社製のナフィオン（登録商標）が好適である。プロトン伝導膜３０２ａは、正極３０３側の空間と負極３０４側の空間とを区画しつつ、正極３０３側の空間と負極３０４側の空間との間でプロトンを伝導する。
【０２１８】
また、アニオン透過膜３０２ｂは、アンモニウム基、ピリジニウム基、イミダゾリウム基、ホスホニウム基、スルホニウム基などからなる陰イオン伝道性に優れた高分子膜であり、トクヤマ社製のネオセプタ（商標）などがある。アニオン透過膜３０２ｂは、前記同様に両電極を区画しつつヒドロキシイオンを伝導する。
【０２１９】
正極３０３は、炭素またはチタンからなるシート状の多孔質体であり、酸素の還元反応を触媒する貴金属微粒子を担持している。正極３０３は、一方の平面がプロトン伝導膜３０２と密着して配置されている。
負極３０４は、炭素またはチタンからなる多孔質体であり、糖の酸化反応を触媒する貴金属微粒子を全体に分散した状態で担持している。
【０２２０】
また、負極３０４は、一方の面において全周にわたって縁部分が他の部分より突出して窪みが形成され、窪んだ側をプロトン伝導膜３０２側に向けて配置され、縁部分においてプロトン伝導膜３０２と密着している。これにより、負極３０４とプロトン伝導膜３０２との間には隙間Ａが形成され、負極３０４に供給された糖溶液が隙間Ａにも満たされる。隙間Ａは、プロトン伝導膜３０２を挟んで正極３０３と隣接する全ての位置において形成されていることが好ましい。これにより、正極３０３の負極３０４側の全面がプロトン伝導膜３０２を介して糖溶液と接し、負極３０４において糖の酸化反応により放出されたプロトンが糖溶液およびプロトン伝導膜３０２を介して効率良く正極３０３に伝達される。
負極３０４、正極３０３およびプロトン伝導膜３０２は、例えば、これらの側面にラミネート加工を施すことにより一体に形成されている。
【０２２１】
このように構成された燃料電池用電極３０１を備えた燃料電池３００の構成およびその作用について、以下に説明する。
本実施形態に係る燃料電池３００は、図４６に示されるように、正極３０３を覆う第１の集電体３０５と、負極３０４を覆う第２の集電体３０６と、負極３０４側設けられた燃料タンク３０７とを備えている。
【０２２２】
第１の集電体３０５および第２の集電体３０６はそれぞれ端子３０５ａ，３０６ａを介して図示しない外部回路に接続される。これにより、電子が負極３０４と正極３０３との間で外部回路を経由しながら伝達される。第１の集電体３０５および第２の集電体３０６にはそれぞれ、空気供給孔３０５ｂまたは燃料供給孔３０６ｂが貫通して形成されている。正極３０３側では、外部の空気が空気供給孔３０５ｂ内を通って正極３０３に供給される。負極３０４側では、燃料導入口３０８から燃料タンク３０７内に供給された糖溶液が燃料供給孔３０６ｂ内を通って負極３０４に供給され、さらに負極３０４の内部を通過して負極３０４とプロトン伝導膜３０２との間の隙間Ａへ供給され、排出口３０９から順次排出される。なお、このときに、糖溶液の流れに乱れが生じないように糖溶液は十分に遅い速度で燃料導入口３０８から供給される。
【０２２３】
このように構成された燃料電池３００によれば、負極３０４において糖の酸化反応が行われて糖からプロトンと電子が放出される。放出された電子は、負極３０４から第２の集電体３０６および端子３０６ａを介して外部回路へ伝達された後、端子３０５ａおよび第１の集電体３０５を介して正極３０３へ伝達される。一方、放出されたプロトンは、隙間Ａを満たす糖溶液中の水分子によって負極３０４からプロトン伝導膜３０２へ伝達される。正極３０３は、第１の集電体３０５から電子を受け取り、プロトン伝導膜３０２からプロトンを受け取り、空気中の酸素を還元して水を生成する。これにより、端子３０５ａ，３０６ａ間を移動する電子、すなわち、電流を外部回路の動作に利用することができる。
【０２２４】
この場合に、従来の燃料電池においては、負極で生成されたプロトンを効率良くプロトン伝導膜に伝達するために、負極とプロトン伝導膜とを密着させていた。このような構成の場合、負極においてプロトン伝導膜に近い位置ほど燃料が停滞して外部から新しい燃料が供給され難くなるめ、負極の一部を発電に有効に活用することができなかった。特に、糖溶液の場合、糖の分子量が大きく非電解質であるために粘性が高く、エタノールやガスなどの他の燃料と比較して自己拡散や自己対流が難しい。したがって、時間の経過とともに負極における糖の酸化反応が滞って発電効率が低下し、出力電流が低下するという現象が顕著であった。
【０２２５】
しかしながら、本実施形態によれば、従来プロトン伝導膜３０２によって塞がれていた負極３０４のプロトン伝導膜３０２側の面も燃料に開放され、当該面においても糖が負極３０４の内部と外部との間で拡散移動する。これにより、負極３０４内部の既に酸化された糖と負極３０４外部の未反応の糖との入れ替えが円滑になり、従来発電に有効に寄与していなかった領域も含めて負極３０４の各位置において糖の酸化反応が定常的に盛んに行われ、発電効率を高い状態に維持して安定した高い出力電流を得ることができるという利点がある。
【０２２６】
また、従来のガスやアルコールを燃料として用いた燃料電池においては反応済みの燃料と新しい燃料とを効率良く入れ替えるために燃料を強制的に流動させていた。一方、端子３０５ａ，３０６ａ間に電流を流すためには、各電極３０３，３０４の表面に電気二重層を形成して正極３０３と負極３０４との電位差を保持することが必要である。燃料として糖溶液を用いる場合、負極３０４の電気二重層の容量は糖の濃度勾配に依存する。
【０２２７】
そこで、燃料電池３００において糖溶液を強制的に流動させると、拡散係数の大きな糖は濃度勾配を形成するのに時間を要するため電気二重層が崩れ、電極３０３，３０４間の電位差、すなわち、燃料電池３００の起電力が小さくなって外部回路に取り出すことができる電流が低下してしまう。
【０２２８】
しかしながら、本実施形態によれば、燃料の強制的な流動に依らずに燃料の自己拡散によって燃料の入れ替えを図ることにより、燃料として糖溶液を用いても負極３０４の電気二重層が安定に保持される。これにより、燃料電池３００の起電力を高い状態に維持して安定した発電を行うことができるという利点がある。
【０２２９】
なお、上記実施形態においては、負極３０４として断面がコの字形状のものを用いてプロトン伝導膜３０２との間に隙間Ａを形成することとしたが、これに代えて、図４７に示されるように、シート状の負極３０４とプロトン伝導膜３０２との間にスペーサ３１０を設けることにより、負極３０４とプロトン伝導膜３０２との間に隙間Ａを形成してもよい。スペーサ３１０が糖溶液を透過させない材質からなる場合、スペーサ３１０には隙間Ａと排出口３０９とを連通させる連通孔３１０ａが形成される。このようにすることで、従来負極として用いられてきたシート形状の電極をそのまま負極３０４として用いて燃料電池用電極３０１を製造することができる。
【０２３０】
また、上記実施形態においては、燃料タンク３０７内の燃料を負極３０４に供給するために第２の集電体３０６に燃料供給孔３０６ｂが形成されていることとしたが、これに代えて、図４８に示されるように、負極３０４の燃料タンク３０７側の面を、糖溶液を透過させる多孔質部材３１１によって覆ってもよい。多孔質部材３１１は、優れた導電性を有しつつ負極３０４における糖の酸化反応に影響を与えない材料により形成されている。このようにすることで、負極３０４の各位置に均一に糖溶液を供給することができる。
また、本実施形態のイオン伝導膜においては、第１の実施形態における電極部分および電極周辺の電池構造として用いても良い。
【０２３１】
［第１４の実施形態］
次に、本発明の第１４の実施形態に係る燃料電池用電極３０１および燃料電池３００について、図４９〜図５３を参照して説明する。本実施形態においては、第１３の実施形態と異なる点について主に説明し、第１３の実施形態と共通の構成については同一の符号を付してその説明を省略する。
本実施形態に係る燃料電池用電極３０１は、負極３０４の構造において第１３の実施形態と異なる。
【０２３２】
負極３０４は、図４９に示されるように、一方の表面が、他方の平らな表面に対して略垂直に延びるフィン状に形成されている。フィン３１２は、該フィン３１２間に形成された溝の内部と外部との間で糖が自然対流によって容易に移動できるように、高さが適切に調節されている。
燃料電池用電極１は、図５０に示されるように、フィン３１２を燃料タンク３０７側に向け、フィン３１２間に形成された溝の位置と燃料供給孔３０６ｂの位置とが一致するように燃料電池３００に設けられる。
【０２３３】
このように構成された燃料電池３００によれば、負極３０４の表面にフィン３１２を形成し、負極３０４の露出表面積を増大させることにより、糖の拡散移動による負極３０４の内部と外部との間の移動が促進される。これにより、既に酸化された糖と未反応の糖との入れ替えを円滑にして発電効率を維持し、高く安定した出力電流を得ることができる。また、負極３０４の平面とプロトン伝導膜３０２とが密着して配置されているので、糖溶液のみならずガスやエタノールなどの非イオン伝導性の燃料を用いても負極３０４からプロトン伝導膜３０２にプロトンが効率良く伝達される。したがって、糖溶液以外の燃料を用いても同様に発電効率を向上して安定した出力電流を得ることができる。
【０２３４】
なお、上記実施形態においては、負極３０４が、平面をプロトン伝導膜３０２側に向けプロトン伝導膜３０２と密着して配置されていることとしたが、これに代えて、フィン３１２をプロトン伝導膜３０２側に向けて配置されてもよく、プロトン伝導膜３０２との間に隙間を空けて配置されてもよい。このようにすることで、第１３の実施形態と同様に、負極３０４のプロトン伝導膜３０２側の面も燃料に開放して負極３０４の内部と外部との間の糖の拡散移動をさらに促すことにより、負極３０４全体を発電に有効に活用して発電効率をさらに向上することができる。
【０２３５】
また、上記実施形態においては、片面にフィン３１２を有する負極３０４を例に挙げたが、負極３０４の形状はこれに限定されるものではなく、燃料に露出する露出表面積が大きくなる形状であればよい。図５１〜図５３に、負極３０４の他の例を示す。
【０２３６】
図５１に示される負極３０４は、フィン３１２が両面に設けられている。この場合、片面にフィン３１２を形成した場合と比較して、負極３０４が同一の容積および露出表面積を有しつつ、各フィン３１２の間の溝が浅くなるので燃料の自然対流をより促して発電能力をさらに向上することができる。
図５２に示される負極３０４は、格子状にスリット３１３が形成されている。この場合も、フィン３１２を有する負極３０４と同様に、スリット３１３を両面に形成してもよい。
【０２３７】
図５３に示される負極３０４は、単位ブロック３１４を３次元方向に市松状に配列して形成されている。この場合、単位ブロック３１４間の隙間においても燃料が対流によって容易に移動するように、単位ブロック３１４とそれらの隙間との寸法を略同一にすることが好ましい。
このようにしても、負極３０４の露出表面積を増大させ、既に酸化された燃料と未反応の燃料との入れ替えを促すことにより、負極３０４全体を有効に発電に活用し、燃料として糖溶液を用いても安定した高い出力電流を得ることができる。また、負極３０４をプロトン伝導膜３０２との間に隙間を空けて配置することにより、さらに発電効率の向上を図ることができる。
また、本実施形態の電極においては、例えば第１の実施形態にかかる燃料電池の電極としても用いてもよい。
【符号の説明】
【０２３８】
１，２，３，４，５，６，７，８，９  電池
９  シリンジ
１０  容器
１１，１２  セル
１３  隔壁
１４  正極
１５  負極
１６  注入口
１７  スリット弁（流路開閉部）
１８  連通孔
１９  通気防水シート
２５  スリット
２７  シリンジ針
２９  ピンホール
５１  注入口
５２  手動コック
５３  手動弁
６０  共通流路
６１  セル
６７  逆止弁
７１  手動弁
７７  リンク（連結機構）
１０１  注入口
１０２  共通流路
１０３  流路開閉部
１０４  電気的接続切り替え装置
２０１，２０２，２０３  燃料電池
２１１，２５１  容器
２１２，２５２  燃料バッグ（貯蔵部）
２１３，２５３  注入口
２１４，２５４  排出口
２１７  通気部
２１８，２１９，２５８  セプタム（注入排出口）
２２０  電極
２２１，２２２  カソード
２２５，２２６  アノード
２５０  隔壁
２６１，２６２  フィン（熱交換器）
２７１，２７２  配管（流路）
３０１  燃料電池用電極
３０２  プロトン伝導膜
３０３  正極
３０４  負極
３０５  第１の集電体
３０５ａ，３０６ａ  端子
３０５ｂ  空気供給孔
３０６  第２の集電体
３０６ｂ  燃料供給孔
３０７  燃料タンク
３０８  燃料導入口
３０９  排出口
３１０  スペーサ
３１０ａ  連通孔
３１１  多孔質部材
３１２  フィン
３１３  スリット（溝）
３１４  単位ブロック
３００  燃料電池
【図１】
2011046006.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
2011046006.tif 000007
【図６】
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【図７】
2011046006.tif 000009
【図８】
2011046006.tif 000010
【図９】
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【図１０】
2011046006.tif 000012
【図１１】
2011046006.tif 000013
【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
2011046006.tif 000020
【図１９】
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【図２０】
2011046006.tif 000022
【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
2011046006.tif 000030
【図２９】
2011046006.tif 000031
【図３０】
2011046006.tif 000032
【図３１】
2011046006.tif 000033
【図３２】
2011046006.tif 000034
【図３３】
2011046006.tif 000035
【図３４】
2011046006.tif 000036
【図３５】
2011046006.tif 000037
【図３６】
2011046006.tif 000038
【図３７】
2011046006.tif 000039
【図３８】
2011046006.tif 000040
【図３９】
2011046006.tif 000041
【図４０】
2011046006.tif 000042
【図４１】
2011046006.tif 000043
【図４２】
2011046006.tif 000044
【図４３】
2011046006.tif 000045
【図４４】
2011046006.tif 000046
【図４５】
2011046006.tif 000047
【図４６】
2011046006.tif 000048
【図４７】
2011046006.tif 000049
【図４８】
2011046006.tif 000050
【図４９】
2011046006.tif 000051
【図５０】
2011046006.tif 000052
【図５１】
2011046006.tif 000053
【図５２】
2011046006.tif 000054
【図５３】
2011046006.tif 000055
【手続補正書】
【提出日】平成24年2月22日(2012.2.22)
【手続補正１】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図４２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図４２】
2011046006.tif 000056
【手続補正２】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図４３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図４３】
2011046006.tif 000057
【手続補正３】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図４４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図４４】
2011046006.tif 000058
【国際調査報告】
2011046006.tif 000059
2011046006.tif 000060
2011046006.tif 000061
2011046006.tif 000062
2011046006.tif 000063
2011046006.tif 000064
2011046006.tif 000065
2011046006.tif 000066